圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱軸壓性能有限元分析★

李　斌　落凱妮　王柯程

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭　014010；　2.西北設(shè)計(jì)院，陜西 西安　710065)

0　引言

ABAQUS是國(guó)際上最先進(jìn)的大型通用有限元計(jì)算分析軟件之一，具有強(qiáng)健的計(jì)算功能和廣泛的模擬功能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過(guò)程等。ABAQUS解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題，從靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題到穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)問(wèn)題，其計(jì)算分析都會(huì)得到令人滿意的結(jié)果[1]。故本文將采用ABAQUS軟件對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行模擬分析。

1　模擬研究對(duì)象

本次模擬以試驗(yàn)的14個(gè)試件為模擬對(duì)象，試驗(yàn)試件參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了材性試驗(yàn)，測(cè)得鋼管的彈性模量為204 000 MPa，屈服強(qiáng)度403 MPa，極限強(qiáng)度518 MPa，混凝土的彈性模量為30 000 MPa，立方體抗壓強(qiáng)度31 N/mm2。

表1　試驗(yàn)試件參數(shù)表

2　材料本構(gòu)模型

2.1　核心混凝土本構(gòu)模型

有限元分析軟件的材料庫(kù)為混凝土的本構(gòu)關(guān)系提供了多種模型。其中塑性損傷模型應(yīng)用最為廣泛，可以模擬各種結(jié)構(gòu)類型中混凝土并且可以有效分析各種問(wèn)題，收斂性良好。故本次模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系選取塑性損傷模型。具體應(yīng)力(σ)—應(yīng)變(ε)關(guān)系模型如下：

ε

c

=(1 300+12.5×

f

c

′)×10

-6

;

η

=1.6+1.5/

x

。

2.2　鋼材本構(gòu)模型

常用建筑鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線一般可分為五個(gè)階段：彈性階段(oa)、彈塑性階段(ab)、塑性階段(bc)、強(qiáng)化階段(cd)和二次塑流階段(de)[2]，如圖1所示，圖1中的fp,fy和fu分別為鋼材的比例極限、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，鋼材屈服時(shí)滿足Von-Mises屈服準(zhǔn)則。本文所用Q235鋼材在有限元分析中的本構(gòu)采用如上所介紹的二次流塑模型，鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)y和彈性模量Es的取值由鋼材拉伸試驗(yàn)測(cè)得。

上述簡(jiǎn)化曲線的五個(gè)階段數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

B=2Aεe1；C=0.8fy+A(εe)2-Bεe；εe=0.8fy/Es；

εe1=1.5εe;εe2=10εe1;εe3=100εe1。

3　有限元模型

3.1　單元的選取

由于鋼管壁厚度遠(yuǎn)小于鋼管高度，所以創(chuàng)建鋼管時(shí)采用四節(jié)點(diǎn)縮減積分格式的殼單元(S4R)，它允許沿厚度方向產(chǎn)生剪切變形，能夠模擬出鋼管的變形。在殼單元的厚度方向上采用9個(gè)積分點(diǎn)的Simpson積分以滿足精度要求。采用八節(jié)點(diǎn)線性減縮積分的三維實(shí)體單元(C3D8R)來(lái)模擬核心混凝土和加載版，既滿足精度要求，計(jì)算時(shí)間也不長(zhǎng)，單元選取合適。

3.2　接觸定義

鋼管與混凝土接觸面界面行為的模擬由法線方向的接觸和切線方向的粘結(jié)滑移組成。鋼管與混凝土之間接觸面的切向力計(jì)算采用摩擦模型，摩擦系數(shù)取0.3。采用“硬”接觸模擬鋼管與核心混凝土以及端板與核心混凝土之間的法向接觸行為。定義鋼與混凝土之間接觸對(duì)時(shí)，由于鋼材的剛度要大于混凝土，因此選擇鋼材為主表面，混凝土選為從表面。

3.3　邊界條件

試驗(yàn)試件兩端均為鉸接的邊界條件，故模型端部作為加載端，對(duì)其約束X和Y兩個(gè)方向的位移，允許位移在荷載作用下沿Z方向發(fā)展。有限元計(jì)算模型如圖2所示。

3.4　網(wǎng)格劃分

4　有限元計(jì)算結(jié)果

有限元模擬得到的圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱最終破壞形態(tài)均為整體屈曲失穩(wěn)破壞，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。圖4為典型試件的有限元模型破壞形態(tài)圖。

4.1　有限元模擬應(yīng)力云圖

由圖5可知，核心混凝土和圓鋼管的最大應(yīng)力均發(fā)生在柱中部位置的撓曲線平面處，鋼管的最大應(yīng)力超過(guò)了其極限強(qiáng)度，混凝土的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)其實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值，這說(shuō)明試件中段鋼管失穩(wěn)破壞，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.2　有限元與試驗(yàn)承載力對(duì)比

表2　試件有限元與試驗(yàn)承載力對(duì)比表

據(jù)表2，對(duì)圓鋼管混凝土中長(zhǎng)柱的承載力，ABAQUS有限元計(jì)算結(jié)果普遍高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要是因?yàn)橛邢拊獩](méi)有考慮初始缺陷，材料處于理想狀態(tài)。但整體誤差在10%以內(nèi)，屬于工程允許范圍。這說(shuō)明本文所用的ABAQUS有限元計(jì)算模型及分析方法是可行的。

5　結(jié)語(yǔ)

本文利用ABAQUS有限元建立圓鋼管混凝土柱模型，通過(guò)合理選擇單元模型、材料本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、網(wǎng)格密度等，將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，有限元計(jì)算所得的承載力雖然普遍高于試驗(yàn)結(jié)果，但偏差均在10%以內(nèi)，屬于允許誤差范圍，驗(yàn)證了有限元模擬的可行性。試件有限元模擬得到的破壞形態(tài)均為整體屈曲失穩(wěn)破壞，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在試件的跨中受壓區(qū)，這也與試驗(yàn)結(jié)果吻合。因此本文所采用的有限元模擬可靠，可作為其他類似模擬的參考。

參考文獻(xiàn)：