大厦巨型柱钢管混凝土结构的施工过程模拟.pdf

2 0 1 3 年 第 8期 总 第 2 8 6 期 Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 T o t a l N o ．2 8 6 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL0GY d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 2 3 5 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 4 1 1 1 7大厦巨型柱钢管混凝土结构的施工过程模拟 管昌生 。王辉 。余地华 z ，张志明 ， 1 ． 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ；2 ．中建三局股份有限公司，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要 考虑多次浇筑条件下 的钢管和混凝土之间的黏结作用， 运用有限元软件 ， 结合 1 1 7大厦工程实例 ， 对巨型柱钢管混凝 土的浇筑过程进行力学模拟与受力性态分析。 计算结果表明 钢管与混凝土的最大的接触压力及摩擦力均发生在钢管的角部区域 ， 并且从角部向板中逐渐减小 ； 钢管呈现出角部变形小 ， 板中变形大的规律 ； 钢管与混凝土主要是侧 向变形 ， 在实际工程 中， 钢板壁 上的焊接螺栓可有效控制侧向变形在规范要求的范围之内。 关键词 黏结作用 ；力学模拟 ；接触压力；侧 向变形 ；焊接螺栓 中图分类号 T U 5 2 8 ．0 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 8 0 1 4 8 0 3 Co n s t r u c t i o n p r o c e s s s i mu l a t i o n o f g i a n t c o l u mn s t e e l pi p e c o n c r e t e s t r u ctu r e o f 1 1 7 b u i l d i n g GUAN Ch a n g s he n g ， WANG Hu i ， YUDi hu a 2 , ZHANGZh i mi n g 1 ． S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e ， Wu h a nUn i v e r s i t yo f Te c h n o l o g y ， Wu h a n4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ； 2 ． Ch i n a Co n s t r u c t i o n T h i r d E n g i n n e e r i n g Bu r e a u J o i n t s t o c k C o ． ， L t d ． ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4， Ch in a Abs t r a ct Co n s i d e r i n g t h e b on d i n g e ffe c t of s t e e l t u b e a n d c o n c r e t e u n de r the c o n d i t i on o f ma ny t i me s c a s t i n g， u s i n g the fin i t e e l e me n t s o ft wa r e ， c o mb i n e dwi th 1 1 7b u i l d i n g e n g i n e e r i n ge x a mp l e s ， t h e me c h a n i c s s i mu l a t i o na n d s t r e s s c o n d i t i o nan a l y s i s o f the g i an t c o l u mn s t e e l p i p e c o n c r e t e p o u r i n gp r o c e s s wa s g i v e nb yt h i s p a p e r ．T h e c a l c u l a ti o nr e s u l t s s h o ws ma x i mu m c o n t a c t p r e s s ur e a n df r i c t i o nf o r c e o f t h e s t e e l t ub e an d the c o n c r e t e h a d o c c u r r e d i n s t e e l t u be c o me r are a， an d d e c r e a s e s g r a d ua l l y f r o m c o me r t o p l a t e； s t e e l pi p e p r e s e n t s a l a w o fs ma l l c o me r d e f o r ma t i o n， b i gp l a t ed e f o rm a t i o n； t h ed e f o rm a t i o nof the s t e e l t u b ean dt h e c o n c r e t ewa sma i nlyl a t e r a l d e f o r ma t i on， a n di n a c t u a l e n g i n e e r i ng， t h e we l di n g b o l t o n t h e wa l l s of s t e e l pl a t e C an e ffe c tiv e l y c o n tro l t h e l a t e r a l d e f o rm a t i o n i n t h e s c o pe of s t a n d a r d r e q ui r e me n t ． K e y wo r d s b o n d i n g e ffe c t ； me c h a n i c s s i mu l a t i o n ； c o n t a c t p r e s s ure ； l a t e r a l d e f o rm a t i o n； we l d i n g b o R 0 引言 近几年， 随着超高层建筑的不断涌现， 钢管混凝土不断 得到应用。 钢管混凝土利用钢管对混凝土的约束作用使混凝 土处于复杂应力状态 ， 以此来提高混凝土的强度 、 塑性及韧 性[ 1 - 2 ] 。 最早对钢管混凝土工作机理进行探索 的是 F u r f o n g ， 他于 1 9 6 7 年对 5 根轴压及 1 7根压弯方钢管混凝 土构件 进行了试验研究 。 在 1 9 7 5年 V i r d i 和 D o w l i n g 首次通过钢 管混凝土 的推 出试验研究钢板壁与混凝 土界面间的黏结 作用 。 Mo r i s h i t a 、 T o m i i 等学者研究 了方 钢管混凝土轴压构 件的钢管纵向应变的分布规律以及混凝土强度对黏结强 度 的影响情况 ， 于此同时 T o m i i 研究 了膨胀型混凝土 、 内表 面带螺纹的钢管混凝 土的黏结强度 。 在 1 9 9 9 年 ， R o e d e r 等 学者研究发现 黏结强度随混凝土干缩程度而降低， 随构 件截面尺寸和宽厚比增大而降低。 在 2 0 0 2年， J o h a n s s o n 和 G y l l t o r t 进行了轴压试件在三种不 同加载方式 混凝土先 受力 、 钢管先受力和共同受力 下的对 比性能试验。 在我国 ， 对钢管混凝土的研究探索也一直在进行。 薛立红教授等通 过 圆钢管混凝土试件的推 出试验 ， 分析了混凝土强度 、 界面 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 2 - -0 4 1 4 8 情况 、 界面长度和混凝土养护条件 四个 因素对黏结强度 的 影响。 姜绍飞教授等研究了构件截面形状 、 混凝土龄期和强 度 、 混凝土浇筑方式等因素对钢管混凝 土构件钢管和混凝 土之间黏结强度 的影响 。 池建军教授运用 A NS YS 软件建 立了钢管混凝 土界面抗剪黏结 的有限元分析模型 。 随着近几年混凝土结构形式的多样化、 施工技术的复 杂化以及建筑结构 的高性能化 ， 钢管高强混凝土协同工作 的基本性能越来越 凸显出其重要性 。 特别是结构体量的加 大， 促使混凝土需要多次浇筑， 这样对钢管与混凝土的黏 结作用就会产生一定的影响 。 1 1 7 大厦地下巨型柱外框架 由钢板焊接组成 ， 内部需要多次浇筑混凝土 。 为了增加钢板 与混凝土的黏结性 ， 施工现场在钢板壁上设置很多螺栓 ， 所 以研究浇筑过程中钢板壁与混凝土的黏结作用具有重要的 工程意义， 也将为 l l 7 大厦地下结构的施工提供重要指导。 1 施工过程模拟方法与有限元模型 1 ． 1 钢管混凝土的有限元分析理论 钢管混凝土结构中钢管对混凝土的约束作用， 提高了 混凝土的承载能力[ 1- 2 ／ 。 混凝土由于收缩或温度变化等因素 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 会对钢管壁产生反作用 ， 两者之间的作用力除了有接触压 力外还有竖 向的摩擦力 ， 而摩擦力会增加 两者之 间的黏结 作用。 利用有限元方法研究钢管混凝土的黏结作用， 具有材 料非线性、 状态非线性两种情况， 但却都需要建立两者之 间的黏结滑移本构关系 。 目前 ， 众多研究成 果表明 钢管与混凝 土之间 的黏结 应力 r与相对滑移 S的关 系可用式 1 表示 。 r ．粤 1 4 1 a n 式 中 d 钢管外径 ； 不同的横截面位置 ； 钢管和混凝土截 面积之 比， 亦 即钢管混凝 土的 含钢率 ， o t A 。 ／ A 。 ； 钢管和混凝土弹性模量之 比， n E s 佤 。 运用有限元法求解钢管混凝土的黏结应力大致分为 划分单元 、 建立 位移函数 、 分析单元特性 、 分析总体特性 、 建立有限元方程 、 求解六个步骤 。 单元特性分析的 目的主要建立单元矩阵方程 ， 如式 2 所示 。 { { Ⅳ} 2 式 中 f d 卜一 单元任意一点 的位移分量矩阵 ； { Ⅳ 卜一 形函数 ； } e 单元节点位移分量矩阵。 分析单元特性旨在建立单元的平衡方程， 如式 3 所示。 { } 斗{ ] } 3 式中 { 单元等效荷载 ； { 单元节点力； [ 单元刚度矩阵。 结构总体特性分析是通过将离散化的单元平衡方程 进行综合建立整体平衡方程。 } [ 网 { 4 式中 俾 } 1 _ 一 结构整体荷载 ； [ 结构整体刚度矩阵 ； 卜一 结构整体位移。 建立结构整体的平衡方程， 然后引入边界条件， 求解方 程组得到位移的基本量 ， 在根据位移一 应变化关系 、 应力一 应 变关系求出结构的应变、 应力等其他所需要的物理量。 1 ．2 A NS Y S 计算参数分析 1 1 7大厦地下 室巨型 钢柱 由核 心钢柱及 四周翼墙组 成 ， 是 由 1 0 0 、 8 0 、 6 0 、 5 0 mi l l 厚钢板组 成的箱体结构 ， 单根 巨型钢柱重约 1 6 0 7 t ， 在两轴方向对称布置。 巨型钢柱标高 范围内按高度不大于 4 m 的原则划分为 6 节 ， 按宽度不超 过 3 m、 长度不超过 6 m的原则共分为4 1 个单元， 最重单 元 5 7 ． 6 t o 考虑到巨型柱结构单元的相似性及计算原理的 一 致性 ， 本研究取 1 号多腔钢管混凝土单元进行有限元模 拟分 析 。 有限元模型 中的边界 条件应尽量与实际一致 ， 由 于外框巨型柱柱脚采用大量 7 5 mm高强锚栓与底板大体 积混凝土连接， 故将其视为固定端 ， 在有限元模型中约束 钢管底端的所有 自由度 。 然后对钢管及混凝土施加 自重作 用 。 1 号单元几何模 型如图 1 所示 。 图 1 钢 管 混凝 土柱 单元几 何模 型 现场施工过程 中核心 巨柱混凝土采用 C 7 0自密实混 凝土 ， 根据所使用 的预拌混凝土 的配合 比， 可知混凝土 的 密度为 2 4 2 1 k g ／ m s ， 泊松 比取 0 ． 1 7 3 ， 张开裂缝的剪力传递 系数为 0 ． 5 ， 闭合裂缝的剪力传递系数为 0 ． 9 ， 单轴抗拉强 度为 3 ． 1 MP a 。 巨型柱钢材采用 Q 3 4 5 G J C， 材料屈服强度取 3 4 5 MP a ， 初始 弹性模量 2 ． 0 6 x 1 0 s a ， 切线模量取为初始 弹性模量 0 ． 1 倍 ， 密度取 7 8 5 0 k g ／ m ， 泊松 比取 0 ． 2 8 7 。 为了计算相对容易收敛 ， 关闭压碎选项 。 核心混凝土采 用多线性随动强化模型。 在有限元分析 中， 钢材假定为各 向 同性材料 ， 但 目前非线性分析中常用双线性随动强化准则 ， 所以本研究所采用 的钢材本构关系[7 - 9 1 取双线性强化弹塑 性模型。 运用 A NS Y S 建立有限元模型时， 核心混凝土采用实体 S O L I D 6 5 单元， 该单元是专门用来分析各种混凝土结构的， 可以用来考虑混凝土的压碎和拉裂 ， 还可以考虑收缩和徐 变等 。 钢管采用实体 S O L I D 4 5 单元模拟 。 钢管与混凝土接 触面之间的黏结和滑移采用接触单元来模拟 ， 目标单元采 用 T A R G E 1 7 0 单元 ， 接触单元采用 C O NT A1 7 3 单元。 在 A NS YS 非线性分析中 ， 在计算 时间容许 的情况下 ， 较 多的子 步或者较 小的荷 载步加上一个非 常大 的最大 子 步数都会导致收敛下降【 瑚 。 在本研究中， 设置 3 个荷载步， 第一个建立钢管与混凝土相互接触的初始状态， 第二个为 第一次浇筑的混凝土自重作用， 第三个为第二次浇筑的混 凝土 自重作用 。 第 二 、 三荷 载步 ， 均设 置 1 0 0个子步 ， 采用 大位移静态分析 ， 打开 自动时间步长选项 ， 以便根据需要 由系统 自动调整时间步长 ， 获 得精度和代价之间的 良好平 衡。 为加速求解过程， 打开线性搜索选项和时间步长预测选 项 ， 将最大平衡迭代次数设为 2 5 ， 收敛容差为 0 ． 0 5 。 1 ． 3 模 拟分析过程 本研究 给 出钢管 和混 凝土 的接触应 力 及摩 擦 力分 布云图 ， 以及摩擦力在钢管柱横向上的变化 曲线 。 如 图2 、 3 所示 。 1 ．4 计算结果分析 由图2 、 3 可以看出 混凝土第一次浇筑后， 钢管的最 大位移为 0 ． 3 8 7 mm。 混凝土第二次浇筑后， 钢管的最大位 移为 0 ． 4 5 5 m m。 这是由于钢管角部的刚度较大而板中部 位刚度较小， 所以钢管呈现出角部变形小， 板中变形大的 规律 。 1 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m