基于欧洲规范（Eurocode）的设计方法，用于局部受压的钢混凝土管状截面结构，并考虑其弯曲性能

《COMPOSITE STRUCTURES》：Eurocode–based design approach for composite steel–concrete tubular sections under localized compression with consideration of bending behaviour

　　

Mantas Atutis

立陶宛克莱佩达大学海洋工程系，克莱佩达

摘要

本文提出了一种基于欧洲规范的设计方法，用于复合钢-混凝土管状构件的设计，这些构件受到局部横向压缩和三点弯曲的作用，这两种载荷情况在实际结构应用中具有相关性。研究表明了钢壳与受限混凝土核心之间的相互作用机制，以及由此导致的破坏模式的变化。研究考察了方形和矩形空心截面（包括机器人弧焊箱形构件）在局部压碎和整体弯曲载荷作用下的结构响应。通过扩展受控抗压模型并加入由约束增强压缩行为得出的混凝土贡献，开发了一种基于力学的分析公式。该方法考虑了有效的载荷传递宽度，并考虑了混凝土核心中的三轴应力发展以及钢壳中的膜辅助作用，从而捕捉了从侧墙不稳定性主导的变形到强度控制的弦面压碎的转变。通过几何和材料上先进的有限元分析来支持实验计划，以验证所提出的假设并阐明耦合的载荷传递机制。结果表明，混凝土填充材料通过抑制侧墙不稳定性、促进应力重分布和提高屈服后的刚度，显著增强了抗压能力。基于这些综合发现，提出了符合欧洲规范原则的设计表达式，以量化复合材料对管状构件局部抗力的贡献。

章节摘录

引言和背景

与传统的设计相比，优化截面设计可以实现22–25%的二氧化碳排放量减少[1]。虽然模块化和预制施工、场外制造方法可以减少人为错误、缩短制造时间、减少人工工作，并提高质量、健康和安全水平[2]。由于钢材强度高，其尺寸较小，便于运输；同时具有较长的使用寿命和易于施工的优点

理论模型

本研究重点关注局部横向压缩（压碎）问题，这是所提出的分析公式的基础。在无法修改截面尺寸且抗力由局部侧墙行为决定的设计情况下，这种载荷情况尤为重要。

鉴于现有的研究空白，本研究重点关注局部横向压缩（压碎）问题，这是所提出分析方法的理论基础

实验研究

实验计划和试样矩阵在图3和表1、表2中进行了总结，其中包括试样的几何形状、材料属性、制造方法、载荷类型和关键响应参数。试样根据其不同的截面几何形状、生产类型（W = 焊接）和承载载荷类型（C = 内部压碎，B = 弯曲）进行标记。在实验室条件下，梁的标注遵循特定的符号体系。字母“S”表示

数值分析

建立了多个数值模型，以分析不同接触宽度对管状构件抗压能力的影响。这些数值模型是通过有限元法（FEM）建立的，用于分析屈曲、应力和变形。钢骨架采用壳体模型表示，混凝土填充部分采用实体模型表示。基于横向位移、截面旋转和横向剪切变形的混合插值方法，使用了MITC4元素（张量分量的混合插值）

结果

本节对比评估了实验结果、有限元分析（FEA）预测和分析了在集中承载载荷和三点弯曲作用下的钢空心截面及混凝土填充截面的性能。

图14(a)显示了在内部承载载荷作用下，接触宽度为t₁ = 10毫米的空心SHS试样的实验和数值加载-变形响应。实验曲线和FEA曲线在初始阶段非常吻合

结论

本研究研究了在集中横向载荷作用下的钢构件和复合钢-混凝土构件的结构行为，并额外考虑了三点弯曲作为单独的载荷情况。研究结合了实验观察、非线性有限元模拟和基于力学的分析建模。主要研究结果如下：

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在没有混凝土填充的钢构件中，在集中承载作用下表现出由不稳定性主导的变形

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本文报道工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢立陶宛克莱佩达的Marine Technology（隶属于Western Shipyard Group）在各种实验研究期间提供的支持。