冻裂钢管柱初步有限元分析有限元分析solidworks

时间：2019-05-27 03:32:53　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　摘要:本文介绍了某位于北方的工程，大量采用的焊接钢管柱在气温突然降至零下20℃左右时，有小部分钢管柱出现很明显的裂缝。后经查验表明钢管内存在大量积水，本文采用有限元软件模拟水结冰后体积膨胀对钢管的附加应力分布，来初步验证是否是水结冰体积膨胀导致钢管胀裂。
　　关键词:焊接钢管柱，开裂，胀裂
　　Abstract: this paper introduces a located in the north of the project, the welding steel tube column used in great quantities in the temperature suddenly dropped to about 20 ℃ below zero, a small group of steel tube column appears very obvious cracks. After inspection showed that there are lots of water inside pipe is adopted in this paper, the finite element software to simulate the icy water volume of steel tube inflation after additional stress distribution, to preliminary validation is icy water volume expansion contributes to steel tube distends to crack.
　　Keywords: welding steel tube column, craze, distends to crack
　　
　　
　　中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
　　一、前言
　　钢管混凝土结构由于充分发挥了混凝土与钢材的材料特性，具有承载力高、塑性与韧性好、节省材料等显著特点，同时钢管混凝土结构一般外形规则，梁柱连接相对简单，结构设计与施工都较方便，是一种综合性能优良的新型组合结构，在实际高层建筑工程中得到了广泛的应用并取得了较好的技术经济效益。柱形钢管混凝土结构是钢管混凝土结构中应用较多的一种，目前我国对柱形钢管混凝土的研究主要集中于单一构件受力性能及设计方法的研究，而对有限元的研究相对较少，而在钢结构设计中，设计的好坏也是结构安全与否的关键因素之一。现有的方形钢管混凝土柱与H型钢梁的连接主要有刚接与铰接两种节点类型，对方形钢管混凝土梁柱半刚性连接的研究并不多见。相关文献对方钢管混凝土柱与钢梁上下顶底角钢半刚性连接节点做了试验研究及有限元分析，宗周红等通过拟静力试验研究了矩形钢管混凝土柱与钢梁两种半刚性节点—加劲端板连接与双T板连接节点的抗震性能。为此，本文参照相关文献，结合某位于北方的工程钢结构冻裂情况，采用有限元软件模拟水结冰后体积膨胀对钢管的附加应力分布，来初步验证是否是水结冰体积膨胀导致钢管胀裂。
　　二、工程概述
　　某工程位于北方，工程中大量采用直径1000mm，壁厚50mm的焊接钢管柱，钢材强度为Q345C。在气温陡然降至零下20℃左右时，小部分钢管柱出现很明显的裂缝，后经加热后钻孔查验表明，这些钢管中存在大量的积水。猜想钢管中积水在降温结冰后体积膨胀导致钢管胀裂，因此本文采用有限元软件模拟水结冰后体积膨胀对钢管的附加应力分布，来初步验证是否是水结冰体积膨胀导致钢管胀裂。
　　三、分析模型及参数
　　（一）材料力学参数：
　　Q345钢：弹性模量E=206GPa，泊松比ν=0.3，线膨胀系数α=1.2X10-5。
　　冰：采用固体单元升温时的体积膨胀来模拟水变成冰时的体积膨胀。模拟冰的固体单元的弹性模量E=5GPa，泊松比ν=0.3，假定线膨胀系数α=3.228X10-2（保证在升温1摄氏度条件下体积能够膨胀10%，以模拟水变成冰时的体积膨胀）。
　　（二）分析软件与模拟单元：
　　采用Midas-Gen作为分析的软件。考虑到水结成冰时体积是想各个方向同时膨胀的，因此无论是钢管还是冰都采用实体单元模拟。
　　（三）有限元模型：
　　由于所有钢管柱的长度不一样，因此没有建立一根完整的钢管柱模型，而是取其从其顶面向下延伸约2.0m的一段。所建立的有限元软件如下图所示：
　　
　　用于分析的整体有限元模型内部的冰
　　
　　所截取的钢管柱钢管柱顶部的盖板和十字加劲肋
　　（四）边界条件：
　　由于是截取钢管柱一部分所做的有限元模型，因此其边界条件只是在模型底面约束了Z向变形，X，Y没有约束。
　　（五）荷载施加与分析方法：
　　采用升温的方式模拟水结成冰时的体积膨胀。且考虑钢管内空隙100%装满水。
　　采用几何非线性静力分析方法进行分析。
　　三、初步分析结果
　　（一）整体变形情况
　　放大3倍的整体变形和局部变形如下图所示。从放大的变形图中可以看出：钢管的不均匀变形主要集中在加劲肋之间以及加劲肋稍下区域。顶部盖板处，由于有盖板的约束，各个方向变形均匀，钢管柱离加劲肋较远区域，变形也较为均匀。
　　
　　整体变形示意局部变形示意
　　
　　（二）应力分布情况
　　截取半片分析模型，所显示钢管的第一、第二、第三主应力以及von-Mises 应力如下图所示：
　　
　　第一主应力（外表面）第一主应力（内表面）
　　
　　第二主应力（外表面）第二主应力（内表面）
　　
　　第三主应力（外表面）第三主应力（内表面）
　　
　　von-Mises 应力（外表面） von-Mises 应力（内表面）
　　
　　从上面应力分布图中可以看出：（1）受水变成冰的体积膨胀作用，钢管外表面的应力明显大于内表面，内表面除了加劲肋根部应力较大外，其他区域应力都很小；（2）第一主应力和第二主应力较大的区域都位于十字加劲肋之间，而von-Mises 应力最大区域却位于没有加劲肋的钢管外壁。
　　四、结论和存在的问题
　　从上面的分析结果并结合实际的裂缝分布，可以初步得出以下一些结论：（1）由于钢管内壁的应力明显小于钢管外壁，因此外表面未开裂钢管，内表面基本不会出现裂缝；（2）虽然第一主应力和第二主应力较大的区域都位于加劲肋之间，但是钢管裂缝并未出现于加劲肋之间，钢管裂缝大部分都是从加劲肋根部沿着钢管壁向下延伸，而von-Mises 应力最大区域同裂缝的分布区域大致一致。据此可以初步断定虽然在低温下，但钢材并未显现脆性材料的特性。
　　另外，本文分析是在一些假设前提下的仅考虑几何非线性的分析，因此还存在以下一些问题值得商榷：（1）未考虑材料非线性，且没有考虑钢管对接焊缝、钢管与加劲肋连接焊缝等位置的实际残余应力分布。裂缝起于加劲肋根部可能与此有关。（2）钢管中的实际水含量无从得知，分析是按照100%含水量进行计算的。
　　
　　参考文献：
　　[1] 袁继雄.钢梁－钢管混凝土柱穿心节点约束刚度的研究．汕头大学,2004
　　[2] 韩林海，钢管混凝土结构-理论与实践[M]，北京：科学出版社，2004.3
　　[3] 《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS 28：90)(4.1.2-2.3)
　　[4] 钟善桐,钢管混凝土结构.北京:清华大学出版社，2003
　　[5] 博弈创作室. ANSYS7.0 基础教程与实例详解，2004.1
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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