基于OpenSEES的圓中空夾層鋼管

鄭玲玲，陳建偉，2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山市綠色建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063009)

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基于OpenSEES的圓中空夾層鋼管

混凝土柱有限元分析

鄭玲玲1，陳建偉1，2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山市綠色建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 唐山 063009)

圓中空夾層鋼管混凝土；軸壓；纖維模型；OpenSEES

應(yīng)用OpenSEES有限元軟件，采用Mander混凝土本構(gòu)模型和Menegotto-Pinto鋼材本構(gòu)模型對(duì)圓中空夾層鋼管混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到力-應(yīng)變(N-ε)關(guān)系曲線，并對(duì)空心率、長(zhǎng)細(xì)比和內(nèi)外鋼管徑厚比進(jìn)行參數(shù)分析。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，且圓中空夾層鋼管混凝土比實(shí)心混凝土延塑性更好，隨空心率和外鋼管徑厚比的增大其極限承載力增大，隨長(zhǎng)細(xì)比的增大其極限承載力減小，但內(nèi)鋼管徑厚比的影響很小。

圓中空夾層鋼管混凝土是指在2個(gè)同心放置的圓鋼管之間注入混凝土而形成的構(gòu)件，是在傳統(tǒng)實(shí)心鋼管混凝土的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式。這種新型構(gòu)件不僅具有實(shí)心鋼管混凝土柱承載力高、延塑性好、耐火性能好等優(yōu)點(diǎn)外，由于其截面開展又具有抗彎剛度大、自重輕、抗震性能好和良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。其常常在橋墩、體育館、建筑物中大直徑的柱等工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者研究了中空夾層鋼管混凝土軸壓短試件的力學(xué)性能[1-3]，中國(guó)學(xué)者也對(duì)其軸壓性能開展了一系列試驗(yàn)研究和數(shù)值分析[4-8]，并取得豐碩成果，這些成果為更深入地研究圓中空夾層鋼管混凝土打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該項(xiàng)研究運(yùn)用開放有限元模擬軟件OpenSEES，基于纖維模型對(duì)圓中空夾層鋼管混凝土柱進(jìn)行軸心受壓數(shù)值模擬，得到力-應(yīng)變(N-ε)關(guān)系曲線，并與文獻(xiàn)[4]中的試驗(yàn)結(jié)果相比較。通過(guò)空心率、長(zhǎng)細(xì)比和內(nèi)外鋼管徑厚比等參數(shù)分析了對(duì)圓中空夾層鋼管混凝土柱力學(xué)性能的影響情況。

1 試驗(yàn)概況

黃宏等[4]為研究圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件的靜力性能，對(duì)14根柱進(jìn)行了單調(diào)加載試驗(yàn)研究。將試件放在500 t壓力傳感器上，試件兩端采用平板鉸進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。在試件外鋼管的中截面設(shè)置了縱、橫向應(yīng)變片, 以觀察試件應(yīng)變的變化情況，同時(shí)試件的縱向還設(shè)置了2個(gè)位移計(jì)，以測(cè)量試件的總變形。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，通過(guò)IMP采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。表1列出文獻(xiàn)[4]中試件的變化參數(shù)，其中D是圓管的直徑，t是圓管壁厚，fy是鋼管的屈服強(qiáng)度，試件長(zhǎng)度L=Do×3，空心率χ=Di/(Do-2to)， 下標(biāo)o，i指內(nèi)和外鋼管，fcu是混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，Nue是試驗(yàn)實(shí)測(cè)軸壓承載力。

圖1 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置

表1 軸壓試件主要參數(shù)

2 有限元模型

2.1 單元截面劃分

運(yùn)用OpenSEES工作平臺(tái)，基于纖維模型“section Fiber”，采用非線性梁柱單元“element nonlinear Beam Column”，通過(guò)“circular patch”實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土和內(nèi)外鋼管截面的纖維劃分。試件沿長(zhǎng)度方向劃分了7個(gè)節(jié)點(diǎn)、6個(gè)單元，每個(gè)單元上選用5個(gè)Gauss積分控制點(diǎn)[9]，如圖2所示?；炷梁蛢?nèi)外鋼管的截面單元沿周長(zhǎng)方向分為8份，厚度方向分為4份，如圖3所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)和單元?jiǎng)澐?圖3 截面單元?jiǎng)澐?/p>

2.2 材料本構(gòu)

內(nèi)外鋼管采用Giuffre-Menegotto-Pinto的steel02鋼筋本構(gòu)模型，模型中控制鋼筋從彈性階段到硬化階段過(guò)渡的3個(gè)參數(shù)R0、cR1、cR2分別取OpenSEES軟件默認(rèn)值18.5、0.925和0.15，強(qiáng)化系數(shù)b取0.001。應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線見(jiàn)圖4。

圖4 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

混凝土采用Mander本構(gòu)模型[10]，選用concrete02單軸本構(gòu)模型，Mander模型約束混凝土抗壓本構(gòu)模型公式[10]如下：

式中：fcc為約束混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，fco為非約束混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，fl為等效側(cè)向壓應(yīng)力，ρs為鋼材與混凝土的體積比，fy為鋼材的屈服強(qiáng)度，εcc約束混凝土的峰值應(yīng)變，εco為非約束混凝土的峰值應(yīng)變，x為限壓應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值；r為約束混凝土骨架曲線下降段參數(shù)。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3 數(shù)值模擬

采用上述本構(gòu)模型，基于纖維模型應(yīng)用OpenSEES軟件，對(duì)表1中6個(gè)圓中空夾層鋼管混凝土試件進(jìn)行計(jì)算，得到力-應(yīng)變(N-ε)關(guān)系曲線。表2和圖6為計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。數(shù)值模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體上吻合較好，在峰值點(diǎn)以前，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的曲線斜率均在允許的誤差范圍內(nèi)；在峰值點(diǎn)，與試驗(yàn)相比試件的最大承載力誤差：試件cc6為11.6%，其余試件均在10%以內(nèi)，試件cc2誤差最小為0.03%；在峰值點(diǎn)以后，數(shù)值模擬的下降段并不理想，這是由于纖維模型不能模擬鋼管和混凝土的相互作用。此外，除試件cc4在加載后期承載力趨于恒定，其余試件均出現(xiàn)下降段，說(shuō)明圓中空夾層鋼管混凝土試件具有良好的延性和承載能力。由此說(shuō)明，應(yīng)用OpenSEES建立的有限元模型對(duì)于中空夾層鋼管混凝土柱的模擬是適用的。

表2 軸壓試件承載力計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 試件力-應(yīng)變( )計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4 參數(shù)分析

4.1 空心率

圖7是空心率依次為0、0.28、0.51、0.61時(shí)試件受軸向壓力作用時(shí)的力-應(yīng)變曲線。由圖7可知，試件在彈性階段斜率較吻合，說(shuō)明在彈性階段各試件剛度接近；在彈塑性階段斜率開始出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明隨空心率的提高內(nèi)鋼管對(duì)混凝土的影響越來(lái)越大，內(nèi)鋼管剛度遠(yuǎn)大于混凝土，所以隨空心率的增大試件剛度也隨之增大；在塑性階段，實(shí)心圓鋼管混凝土下降段明顯，說(shuō)明中空夾層圓鋼管混凝土比實(shí)心圓鋼管混凝土的延性好；當(dāng)試件趨于極限強(qiáng)度時(shí)，中空夾層圓鋼管混凝土柱比實(shí)心圓鋼管混凝土柱的極限承載力高，且空心率越大極限承載力越大，但是提高幅度逐漸減小。

圖7 空心率對(duì)N-ε關(guān)系曲線的影響

4.2 長(zhǎng)細(xì)比

圖8是長(zhǎng)細(xì)比為9.6、11.6、16.7的情況，試件受軸向壓力作用時(shí)的力-應(yīng)變曲線。各試件選取的長(zhǎng)度均相同，根據(jù)外鋼管的直徑大小改變?cè)嚰拈L(zhǎng)細(xì)比，由圖8可知，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)圓中空夾層鋼管混凝土試件的承載力有較大影響，試件長(zhǎng)細(xì)比越小，極限承載力越大，且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，延性也越大。

圖8 長(zhǎng)細(xì)比對(duì)N-ε關(guān)系曲線的影響

4.3 內(nèi)外徑厚比

圖9～圖10是圓中空鋼管混凝土柱內(nèi)外徑厚比不同時(shí)的力-應(yīng)變曲線。圖9為內(nèi)鋼管徑厚比為36、29.3、16情況下的力-應(yīng)變曲線，隨內(nèi)鋼管徑厚比的增加，試件極限承載力和延性也有所增大，但是影響小，可以忽略不計(jì)。圖10為外鋼管徑厚比為70、60、46.7情況下的力-應(yīng)變曲線，隨外鋼管徑厚比的增大，試件極限承載力增大，且該參數(shù)影響較大。同時(shí)，隨外鋼管徑厚比的增大，試件下降段越明顯，說(shuō)明圓中空夾層鋼管混凝土試件的延性隨徑厚比的增大而減小。

圖9 內(nèi)鋼管徑厚比對(duì)N-ε關(guān)系曲線的影響 圖10 外鋼管徑厚比對(duì)N-ε關(guān)系曲線的影響

5 結(jié)論

(1)應(yīng)用OpenSEES有限元軟件模擬的圓中空夾層混凝土柱力-應(yīng)變關(guān)系曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2)圓中空夾層鋼管混凝土與相應(yīng)的實(shí)心鋼管混凝土有相當(dāng)?shù)某休d力，且延性好于實(shí)心鋼管混凝土。

(3)圓中空夾層鋼管混凝土隨空心率和外鋼管徑厚比的增大其極限承載力增大，隨長(zhǎng)細(xì)比增大其極限承載力減小。同時(shí)，隨長(zhǎng)細(xì)比的增大延性也增大，隨外鋼管徑厚比增大延性降低，內(nèi)鋼管徑厚比的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

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Finite Element Analysis of Concrete Filled Steel Tubular Column with Circular Hollow Core Based on OpenSEES

ZHENG Ling-ling1, CHEN Jian-wei1,2

(1.College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China; 2.Tangshan Institute of Green Building Industrial Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

circular hollow sandwich steel tube concrete; axial compression; fiber model; OpenSEES

Based on the fiber model by using OPENSEES finite element software, the numerical simulation analysis of the concrete filled steel tubular column was carried out by using Mander concrete constitutive model and Menegotto-Pinto steel constitutive model. The relation curves of stress-strain ( ) was obtained and the parameters such as hollow ratio, slenderness ratio and diameter-thickness ratio were analyzed as well. The results show that the numerical simulation results are well fitted with the test results. The circular concrete-filled double skin steel tubular has a good property of ductility. The ultimate bearing capacity increases with the increasing ratios of the hollow and diameter-thickness, and it significantly decreases with the reduced slenderness ratio, while the effect of steel pipe diameter to thickness ratio is very small.

2095-2716(2017)01-0069-06

TU377.1

A