軸心受壓方鋼管混凝土短柱極限承載力影響因素研究

朱 兵, 王 昌

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

方鋼管混凝土柱是一種新型的鋼混凝土組合柱，其截面形式如圖1所示。由于方鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用相當(dāng)于間距等于零的箍筋對(duì)混凝土的約束作用，所以其承載力明顯比普通混凝土高出許多。

圖1 方鋼管混凝土柱截面示意

國(guó)內(nèi)外的科研工作者也分別對(duì)圓形和方形鋼管混凝土柱不同受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析。

目前，對(duì)方鋼管混凝土在ABAQUS中進(jìn)行模擬時(shí)的參數(shù)選取對(duì)數(shù)值分析的影響沒(méi)有考慮，本文鑒于此，分析了ABAQUS中參數(shù)取值對(duì)數(shù)值分析的影響，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值分析的可靠性。

1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

1.1 鋼材材料模型

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，關(guān)于鋼材本構(gòu)模型的選取原則。對(duì)于Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼等建筑工程中常用的低碳軟鋼，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系一般采用五階段模型。

本模型所用鋼管屬于低碳軟鋼。因此采用五階段模型本構(gòu)，具體表達(dá)式參照文獻(xiàn)[2][5][6]。

1.2 混凝土材料模型

目前，描述混凝土本構(gòu)關(guān)系的模型較多，在本次分析中，采用文獻(xiàn)[6]提出的核心混凝土等效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型。

受拉區(qū)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系參考文獻(xiàn)[5]。

混凝土采用塑性損傷模型，損傷因子的取值參照文獻(xiàn)[7-10]。采用Britel和Mark提出的公式來(lái)計(jì)算混凝土拉壓狀態(tài)下的損傷系數(shù)dt和dc。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的建議，當(dāng)bt=0.4,bc=0.7時(shí)，計(jì)算結(jié)果與通過(guò)試驗(yàn)得出的結(jié)果能很好地吻合。

CDP模型參照文獻(xiàn)[12]，膨脹角取30 °，塑性勢(shì)偏心率取0.1，雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度比值取1.16，拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二應(yīng)力不變量比值取2/3，粘性系數(shù)取0.000 5。本文參考文獻(xiàn)[13]取核心鋼管混凝土區(qū)混凝土的剛度權(quán)恢復(fù)系數(shù)wc=0.2,wt=0.0。

參考文獻(xiàn)[7]，因?yàn)榛炷翍?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是根據(jù)大量的拉伸和壓縮試驗(yàn)結(jié)果擬合而來(lái)，所以其應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)為名義應(yīng)力值 為了能準(zhǔn)確地描述大變形過(guò)程中截面面積的改變，需要使用真實(shí)應(yīng)力σture和真實(shí)應(yīng)變?chǔ)舤ure，兩者間相應(yīng)的換算公式如下：

1.3 剛度大的彈性材料

數(shù)值模擬時(shí)，加載板采用剛度很大的彈性材料，彈性模量定義為1×1012MPa，泊松比定義為0.000 1。

2 有限元建模

本文利用有限元軟件ABAQUS建模。構(gòu)件底部固定端設(shè)置剛性端板，約束6個(gè)自由度，構(gòu)件頂部也設(shè)置剛性端板防止應(yīng)力集中，設(shè)置參考點(diǎn)RP1并與構(gòu)件頂部端板耦合，在參考點(diǎn)上約束除U3方向的平動(dòng)自由度以外的其他所有自由度。本文通過(guò)參考點(diǎn)進(jìn)行位移加載，收斂性較好。

外部方鋼管采用殼單元S4R模擬，核心混凝土，剛性端板采用三維實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼材采用ABAQUS提供的各項(xiàng)同性彈塑性模型，服從VonMises屈服準(zhǔn)則。鋼材在彈性階段的彈性模量取206 000MPa，泊松比取0.3?；炷敛捎盟苄該p傷模型來(lái)模擬加載下的性能?；炷翉椥噪A段的泊松比取0.2。

鋼管和剛性端板采用Shell-to-SolidCoupling連接，剛性端板和核心混凝土采用Tie約束，鋼管內(nèi)部和核心混凝土之間分別設(shè)置接觸：法向采用硬接觸，切向采用庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)取值參照文獻(xiàn)[14]取值0.6。剛性端板厚度取為10mm。

混凝土軸壓強(qiáng)度不同表示值之間的近似對(duì)應(yīng)關(guān)系參考文獻(xiàn)[6]。

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模型的合理性，本文采用數(shù)值方法對(duì)劉威(2005)[2]的6個(gè)方鋼管混凝土柱的試驗(yàn)構(gòu)件的部分試件進(jìn)行模擬計(jì)算，表1為方鋼管混凝土構(gòu)件的有關(guān)參數(shù)，圖2～圖4為試驗(yàn)結(jié)果曲線和有限元結(jié)果曲線的對(duì)比圖。

表1 方鋼管混凝土柱軸壓構(gòu)件參數(shù)

圖2 SU-017°

圖3 SU-022°

圖4 SU-150°

4 參數(shù)分析

對(duì)于方鋼管混凝土軸壓構(gòu)件而言，影響其載荷-位移曲線的因素有方鋼管混凝土的寬度，方鋼管的厚度，鋼材的屈服強(qiáng)度以及核心混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度。通過(guò)大型通用有限元軟件ABAQUS來(lái)研究以上因素對(duì)方鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的載荷-位移曲線的影響。同時(shí)研究ABAQUS有關(guān)參數(shù)取值對(duì)載荷-位移曲線的影響。典型軸壓構(gòu)件的基本數(shù)據(jù)為：B=127mm，t=7.47mm，L=609.6mm，fy=347MPa，fc=23.8MPa。

從圖5(a)～5(e)中可以看出隨著混凝土強(qiáng)度(fc)、鋼管材料強(qiáng)度(fy)、方鋼管混凝土寬度(B)、方鋼管厚度(t)、粘性系數(shù)(μ)的增大，構(gòu)件的抗壓承載力明顯增大，但對(duì)載荷-位移關(guān)系曲線的彈性階段的影響并不明顯。

5 結(jié)論

(1)基于ABAQUS對(duì)方鋼管混凝土載荷-變形關(guān)系曲線模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合的較好，進(jìn)一步證明了數(shù)值分析的可靠性。

(2)要想提高方鋼管混凝土的極限承載力的措施主要有提高核心混凝土的強(qiáng)度，提高鋼管鋼材的強(qiáng)度，增大方鋼管混凝土的寬度以及方鋼管的厚度。

(3)在用ABAQUS對(duì)方鋼管混凝土載荷位移曲線進(jìn)行模擬時(shí)，粘性系數(shù)盡可能小，以保證數(shù)值模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的接近。