鋼骨T形鋼管混凝土短柱有限元分析

余思平，杜國(guó)鋒，李雪平，李 佳 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

余思平，杜國(guó)鋒，李雪平，李 佳 (長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，利用大型有限元軟件Abaqus對(duì)鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸壓受力性能進(jìn)行有限元模擬分析，得到短柱的荷載-位移曲線和鋼管、鋼骨以及混凝土的應(yīng)力分布云圖，并將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者符合程度較好，證明了應(yīng)用有限元軟件Abaqus對(duì)鋼骨-T形鋼管混凝土柱進(jìn)行理論分析的可行性，為進(jìn)一步全面研究鋼骨-異形鋼管混凝土柱奠定了基礎(chǔ)。

鋼管混凝土柱；有限元分析；軸壓性能

鋼骨-T形鋼管混凝土柱可以解決目前小高層建筑在重載作用下的普通鋼筋混凝土柱承載力不足和延性較差的問題，其將柱子做成柱肢與墻等厚，截面形式為T形的異形柱，能有效避免柱角突出室內(nèi)，并且由于鋼管的約束作用使內(nèi)填混凝土處于三向受力狀態(tài)，鋼骨能有效抑制延緩核心混凝土的剪切破壞，因而鋼骨-T形鋼管混凝土短柱在美化建筑、提高建筑使用功能的同時(shí)，其承載力和延性都能得到有效的提高。鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸向受壓是全面研究鋼骨-T形鋼管混凝土柱力學(xué)性能的基礎(chǔ)，筆者以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，采用有限元軟件Abaqus對(duì)鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸壓進(jìn)行全過程的模擬分析，探討其軸壓力學(xué)性能。

1 試件參數(shù)

對(duì)1根無鋼骨的T形鋼管混凝土短柱和2根含不同厚度鋼骨的T形鋼管混凝土短柱進(jìn)行模擬分析，構(gòu)件尺寸參數(shù)如1所示，采用C50自密實(shí)混凝土，立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為51.1MPa。鋼管為無縫鋼管，鋼材型號(hào)為Q235，其相關(guān)參數(shù)如表2所示。有限元模型嚴(yán)格按照試驗(yàn)構(gòu)件尺寸建立。

表1 構(gòu)件尺寸參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

2 試件有限元模型

1)鋼材的本構(gòu)模型 鋼材材質(zhì)均勻，本構(gòu)關(guān)系比較穩(wěn)定，采用文獻(xiàn)[1]提出的二次塑流模型，將應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、強(qiáng)化和二次塑流5個(gè)階段，具體表達(dá)式如下：

(1)

2)核心混凝土的本構(gòu)模型 采用Abaqus程序提供的塑性損傷模型。核心混凝土在鋼管和鋼骨的作用下處于三向受壓狀態(tài)，如何能反映出鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用是正確建立核心混凝土本構(gòu)模型的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]對(duì)T、十字形的鋼管混凝土短柱采用典型的混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變模型進(jìn)行了模擬分析，但其沒能反映出鋼管的套箍約束作用。為了在模擬分析不等邊的T形鋼管混凝土柱時(shí)，能正確反映出截面長(zhǎng)寬比產(chǎn)生的鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用，依據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的等效約束效應(yīng)系數(shù)ξBD，其適用于鋼骨-T形鋼管混凝土柱有限元模擬的本構(gòu)模型如下：

(2)

混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用文獻(xiàn)[4]提出的公式：

(3)

3)有限元模型的建立 鋼管采用4節(jié)點(diǎn)殼單元S4R，鋼骨和混凝土采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R，短柱上下兩端的蓋板采用解析剛體來模擬。鋼管內(nèi)壁與核心混凝土間采用“小滑移”并考慮摩擦的面面接觸單元，摩擦系數(shù)取0.25，法線方向采用“硬接觸”傳遞荷載，鋼骨與混凝土間采用粘結(jié)單元tie，使其共同工作。

約束情況如下：限制下端支座的全部自由度；固定上部蓋板U1、U2方向上的位移，釋放其轉(zhuǎn)角位移。本次模擬采用位移加載，令上端剛體蓋板下降10mm模擬試驗(yàn)中的軸壓，采用牛頓法進(jìn)行迭代計(jì)算。

3 有限元結(jié)果與分析

表3 試驗(yàn)值與模擬值比較

將有限元模擬分析得出的荷載-位移曲線和極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1和表3所示。從圖1可以看出，在加載初期，短柱各材料處于彈性階段，柱子承載力隨位移呈線性增加，超過彈性階段以后，核心混凝土的微觀裂縫不斷發(fā)展擴(kuò)大，短柱承載力呈非線性增加；當(dāng)位移增加到4mm左右時(shí)，核心混凝土應(yīng)力達(dá)到最大值，這時(shí)柱子承載力達(dá)到極限值，繼續(xù)增加位移，核心混凝土開裂過大導(dǎo)致應(yīng)力下降，柱子承載力開始下降，但由于鋼管的約束作用，荷載-位移曲線呈較為平緩的下降趨勢(shì)，表現(xiàn)出較好的延性性能。與無鋼骨的柱子相比，帶有鋼骨的試件的承載力和延性都有明顯提高。試驗(yàn)值與模擬值比較的結(jié)果是偏差在4%以內(nèi)，說明兩者符合較好(見表3)。

圖2、3分別給出了試件在最后時(shí)刻的Mises應(yīng)力分布云圖。從圖2可以看出，帶鋼骨的柱子的混凝土應(yīng)變明顯小于無鋼骨的混凝土應(yīng)變，說明在軸壓過程中，鋼骨為核心混凝土承擔(dān)了一部分壓力，減小了混凝土所受壓力，抑制并延緩了核心混凝土的剪切破壞。從圖3可以看出,柱子上端受位移約束條件的影響，柱頂和柱底所受的應(yīng)力最大，使其表面的鋼管先達(dá)到屈服而出現(xiàn)彎曲。T形柱在軸壓過程中，隨著荷載增大，柱子逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠氖軌籂顟B(tài)，寬截面處由受壓區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓍^(qū)，柱子在寬截面處出現(xiàn)了一道較為明顯的屈曲半波，柱子窄截面頂部和底部各出現(xiàn)一道屈曲半波，這與試驗(yàn)現(xiàn)象相符(見圖3(a))。加入鋼骨后，鋼管的應(yīng)力分布更均勻，避免在軸壓過程中過早地出現(xiàn)偏心受壓，使鋼管、混凝土和鋼骨能更好地協(xié)同工作，從而提高其承載力(見圖3(b))。在T形柱橫向肢中，由于核心混凝土所受鋼管約束不對(duì)稱，故在鋼管破壞時(shí)，由于弓弦效應(yīng)使窄截面處所受約束較小的一側(cè)發(fā)生較大變形[5]，出現(xiàn)鋼管在嚴(yán)重鼓起一側(cè)發(fā)生應(yīng)變小的現(xiàn)象(見圖3(c))。

圖1 荷載-位移曲線試驗(yàn)值與有限元模擬值比較

圖2 核心混凝土Mises應(yīng)力分布云圖

圖3 外鋼管Mises應(yīng)力分布云圖

4 結(jié) 論

1)通過有限元軟件Abaqus對(duì)1根T形鋼管混凝土短柱和2根鋼骨-T形鋼管混凝土短柱在軸壓荷載條件下得到的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比相差不大，兩者符合較好，說明了利用Abaqus對(duì)T形鋼管混凝土柱軸壓性能模擬分析的可行性和準(zhǔn)確性。

2)通過對(duì)鋼管、鋼骨和混凝土模擬結(jié)果的Mises應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D分析，并與試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析中采用的鋼材混凝土本構(gòu)模型、鋼與混凝土接觸關(guān)系和邊界條件等的正確性。

3)通過有限元分析可知，在T形鋼管混凝土柱中加入工字型鋼骨可以有效提高柱子的承載力和延性。

[1]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)-理論與實(shí)踐 [M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]趙毅. 異型鋼管混凝土短柱軸壓短柱軸壓性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[3]張繼成，沈祖炎，周海軍. L形鋼管混凝土抗震性能非線性有限元分析[J].工業(yè)建筑，2010,40(7)：85-90.

[4]丁發(fā)興，余志武.混凝土受拉力學(xué)性能統(tǒng)一計(jì)算方法[J].華中科技大學(xué)(城市科學(xué)版)，2004,21(3):29-34.

[5]崔來奇，徐亞豐. 軸心受壓T形鋼管混凝土芯柱受力性能研究[J].工業(yè)建筑，2009(18)：1475-1481.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.035

TU398.7

A

1673-1409(2012)02-N106-03

2011-11-13

湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(Q20091210)；湖北省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010CDZ003)。

余思平(1986-)，男，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事鋼管混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究工作。