可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

裴 欣

(六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 六安 237001)

0 引言

隨著對城市結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性標(biāo)準(zhǔn)的逐漸提升，采用雙鋼管混凝土作為建筑的主體材料成為未來建筑業(yè)發(fā)展的趨勢，雙鋼管混凝土具有抗拉能力好和屈服應(yīng)變能力強的特點，在建筑主體設(shè)計中具有廣泛的應(yīng)用價值。分析可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對提高建筑體的強度和負(fù)載能力方面具有重要意義[1]。對可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計是建立在對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測試基礎(chǔ)上，構(gòu)建可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的約束參量模型，結(jié)合受力參量估計方法進(jìn)行鋼管混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕損傷程度響應(yīng)評估，控制可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力[2]。提出基于結(jié)構(gòu)動應(yīng)變監(jiān)測和屈服響應(yīng)評估的可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估方法。進(jìn)行可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，建立軸心受壓雙鋼管混凝土的強化模型參數(shù)估計模型，最后進(jìn)行實驗測試分析，得出有效性結(jié)論。

1 混凝土的荷載可靠性監(jiān)測模型及可變荷載作用力分析

1.1 混凝土的荷載可靠性監(jiān)測模型

為了實現(xiàn)可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究，首先構(gòu)建可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的荷載可靠性監(jiān)測模型，基于等參元思想，考察實體單元間混凝土柱的受壓狀態(tài)特征量[3]，構(gòu)建可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性承載內(nèi)力分布表示為：

(1)

式中，B(x)表示可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的負(fù)荷幾何變換矩陣，為：

(2)

其中，ξ∈[-1,1]，表示可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性承載力學(xué)特征量，建立有限元模型進(jìn)行預(yù)處理，分析線性插值分量和變形增量。在水平荷載作用下，在可行域Rd內(nèi)分析可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)變特征量，采用波動方法得到受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制方程為：

(3)

上式中，ub表示可變荷載作用的位移約束邊界，cs表示黏彈性邊界的應(yīng)力增量，取SCBRB 構(gòu)件混凝土作為研究對象，當(dāng)鋼板未發(fā)生屈曲時，計算混凝土三維正交定角[4]，得到可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的局部應(yīng)力荷載為：

(4)

預(yù)先設(shè)定可變荷載的強度，得到軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的荷載可靠性監(jiān)測動態(tài)分布如圖1所示。

圖1 雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的荷載可靠性監(jiān)測動態(tài)分布

1.2 可變荷載作用力分析

在構(gòu)建可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的荷載可靠性監(jiān)測模型的基礎(chǔ)上，采用線性動力分析方法進(jìn)行可變荷載作用力分析，采用電阻式應(yīng)變傳感器進(jìn)行受力參數(shù)采集[5]，建立多元線性回歸模型進(jìn)行鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估，得到第n+1、n個采樣節(jié)點中軸心受壓雙鋼管混凝土的受壓峰值計算過程為：

(5)

圖2 軸心受壓雙鋼管混凝土的抗拉有限元模型

根據(jù)圖2所示的有限元模型，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的彈性段極限壓分析，得到雙鋼管混凝土的抗拉控制的線性化方程為：

(6)

考慮連接件的抗剪性能，得到阻尼狀態(tài)參數(shù)為δ，δ與狀態(tài)XRM,VRM,θp,ωp是互不相關(guān)的，用Ψ2(d2(t))表示雙鋼管混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)分布矩陣L(Z2+Z3)-1LT與MT(Z2+Z3)-1MT的Bergmann核，由此判定可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[6]，判定方程為：

(7)

根據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判別結(jié)果，實現(xiàn)可變荷載作用力分析，參考混凝土的模型非線性參數(shù)，采用反演遞歸和試驗評估方法，進(jìn)行可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[7]。

2 軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估優(yōu)化

2.1 混凝土的強化模型參數(shù)估計

在上述力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，提出基于結(jié)構(gòu)動應(yīng)變監(jiān)測和屈服響應(yīng)評估的可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估方法，采用反演遞歸和試驗評估方法，進(jìn)行可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[8]，得到軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)平衡解滿足：

(8)

采用參考點與加載面耦合的方式進(jìn)行應(yīng)力評估，得到可變荷載作用下軸心穩(wěn)定的準(zhǔn)靜態(tài)分析模型為：

(9)

式中，z1,z2是轉(zhuǎn)動自由度參數(shù)，y為載荷分離特征量，采用極限承載力控制方法進(jìn)行可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制[9]，進(jìn)行特征值屈曲分析，得到穩(wěn)態(tài)控制方程為：

(10)

式中：

(11)

忽略構(gòu)件的屈曲模態(tài)因素的影響，得到可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的初始剛度[10]，混凝土試件的動能和彈性模量分別為：

(12)

V=MpgLcosθp

(13)

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的約束條件，實現(xiàn)可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，得到混凝土框架結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的收斂性評價規(guī)則如下：

(14)

根據(jù)穩(wěn)定性判定條件，實現(xiàn)混凝土的強化模型參數(shù)估計。

2.2 雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試建模

采用線性動力分析方法進(jìn)行可變荷載作用力分析，參考混凝土的模型非線性參數(shù)，得到彈性模量、屈服強度de和fe?？勺兒奢d作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)推覆截面軸力表達(dá)式為：

s(x)=[N(x),M(x)]T

(15)

上式中，N(x)表示混凝土可能存在孔洞缺陷的變形增量，M(x)為穩(wěn)定性應(yīng)力作用下的屈服響應(yīng)，構(gòu)建可變荷載作用下軸心受壓平衡方程，依據(jù)荷載-位移分布，得到可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土的應(yīng)力狀態(tài)增量：

(16)

上式中，Vt1表示可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力，Vu1表示最大彈塑性位移，ΔVt表示基礎(chǔ)梁的連接的屈服機制，通過考察能量確定模型穩(wěn)定性，得到混凝土抗拉強度為：

dt=dei+dpti

(17)

式中，dei為彈性比例應(yīng)變限值，dpti表示鋼筋彈性模量，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，得到軸心受壓雙鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增量：

(18)

綜上分析，采用屈服應(yīng)力推服響應(yīng)控制方法進(jìn)行可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的自動加載，建立動量守恒模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)動應(yīng)變監(jiān)測和屈服響應(yīng)評估方法，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性建模，模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析模型

3 實驗測試分析

為了測試該模型在實現(xiàn)可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估的實際效能，進(jìn)行試件測試，測試中采用CAD/CAM數(shù)控測試平臺進(jìn)行可變荷載加載測試，采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行混凝土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析和有限元分析測試，設(shè)定混凝土彈性模型C1ε=1.44，彈性段極限壓參數(shù)C2ε=1.92，裂縫寬度Cμ=0.09，切向應(yīng)力σk=1.0，單元特征長度σε=1.3，得到混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性測試的參數(shù)分布值見表1。

表1 混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計，結(jié)合混凝土抗拉強度進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試，得到混凝土抗拉強度測試結(jié)果如圖4所示。

分析圖4得知，設(shè)計的可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試模型精確可靠；測試可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土應(yīng)力狀態(tài)分布，得到結(jié)果如圖5所示，分析得知，該模型具有很好的混凝體結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試能力。

圖4 混凝土抗拉強度測試結(jié)果

圖5 可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土應(yīng)力狀態(tài)分布

4結(jié)語

分析可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對提高建筑體的強度和負(fù)載能力方面具有重要意義，提出基于結(jié)構(gòu)動應(yīng)變監(jiān)測和屈服響應(yīng)評估的可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評估方法。建立軸心受壓雙鋼管混凝土的強化模型參數(shù)估計模型，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作為約束條件，實現(xiàn)可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合結(jié)構(gòu)動應(yīng)變監(jiān)測和屈服響應(yīng)評估方法，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性建模。分析得知，設(shè)計的可變荷載作用下軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測試模型精確可靠，具有很好的混凝體結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試能力，在軸心受壓雙鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化中具有很好的應(yīng)用價值。