基于有限元分析的建筑混凝土短柱軸壓承載力數(shù)值模擬

基于ANSYS有限元平臺，考慮建筑混凝土短柱軸材料的幾何參數(shù)與計算方法，建立有限元分析基礎(chǔ)下的建筑混凝土短柱軸壓承載力數(shù)值模型，在模型的基礎(chǔ)上分析不同配箍特征值下的建筑混凝土短柱軸壓承載的荷載位移曲線，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值以及設(shè)定混凝土受壓強度，對所建立的有限元混凝土短柱軸壓承載的具體情況以及數(shù)值模型模擬進行可行性分析，通過試驗結(jié)果與其具體的試驗內(nèi)容進行判斷，提出試驗結(jié)果吻合的比對方法及策略，給出個人看法以及檢驗說明。

有限元； 建筑混凝土； 短柱； 軸壓承載； 數(shù)值模擬

TU311.41 A

［定稿日期］2021-12-06

［作者簡介］杜政敏（1984—），女，在讀本科，工程師，研究方向為工程管理。

隨著我國建筑施工的發(fā)展，鋼筋混凝土的新型混合結(jié)構(gòu)組合體發(fā)展很快，建筑混凝土短柱軸壓承載是以鋼板為外部結(jié)構(gòu)，其自身具有很強的穩(wěn)定性，具有很強的應(yīng)用價值。本文提出短柱軸承載力的有限元分析，以此在ANSYS軟件基礎(chǔ)上構(gòu)建有限元分析，探討建立數(shù)值模型的具體方向及可行性［1］。

1 有限元模型的構(gòu)建

1.1 本構(gòu)關(guān)系

設(shè)計有限元模型的構(gòu)建，要考慮到本構(gòu)關(guān)系的設(shè)計構(gòu)造，根據(jù)有限元模型中的具體要素進行設(shè)計，鋼板籠的設(shè)計為第一步，構(gòu)建有限元模型確定鋼板籠的結(jié)構(gòu)，其本身屬于一種閉合狀態(tài)的容器，鋼板籠設(shè)計有2種方法，一種是混合方法一體設(shè)計，另一個是混合方法分離設(shè)計。

本文用混合方法一體設(shè)計為主要思路，根據(jù)混凝土單軸受壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系按GB 50010-2010（2015年版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定見式（1）。

當(dāng)εc≤ε0時，

σc=fc［1-（1-εc/ε0）n］（1）

當(dāng)ε0≤εc≤εcu時，

σc=fc

根據(jù)計算公式（1）的內(nèi)容可以知道在模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，采用一系列數(shù)據(jù)模擬擬合輸入，按照非線性彈性材料的定義模型，采用多線性定向強化奠定應(yīng)變力的計算方法，根據(jù)強化拉力的MISO模擬，輸入混凝土彈性模量為試探性模量，EC=30 GPa，泊松比為0.2，破壞準(zhǔn)則采用WIllam-Qwarnker五參數(shù)強度準(zhǔn)則進行擬合度測試，按照此原則進行測試，實施混凝土張開裂縫的剪切傳遞系數(shù)0.6，所測試的閉合裂縫的剪切鏈接系數(shù)為1.0，鋼板本身的應(yīng)力值與應(yīng)變變化關(guān)系根據(jù)上述計算公式計算，取得理想的彈性及延展性模型基礎(chǔ)，在研究中根據(jù)雙線性等強化模型BISO模擬，彈性向量Es=30 GPa，泊松比為0.4［2］。

1.2 單元選擇

按試驗結(jié)構(gòu)的零部件尺寸和主要參數(shù)，建立ANSYS有限元模型，按照模擬圖形中細(xì)節(jié)設(shè)計零部件，如圖1所示。

根據(jù)需要考慮的混凝土三維8節(jié)點設(shè)計要素來看，實體構(gòu)建中鋼板與混凝土的節(jié)點共享需要考慮粘結(jié)和滑動影響，根據(jù)混凝土的單元考慮，設(shè)計長度95 cm，寬度38 cm，便于填充物料，也便于控制外立長度與硬度，考慮混凝土的開裂及壓潰方法，鋼板采用三維4節(jié)點設(shè)計比較合理，應(yīng)力變化根據(jù)殼單位線性分析的具體情況考慮殼的單元厚度變化與具體壓載變動，根據(jù)混凝土實體單元與鋼板殼單元鏈接部位進行剛性鏈接，建模時考慮單元與實體單元的共同節(jié)點特性，按照殼單元進行主節(jié)點設(shè)計，實體單元為節(jié)點沿用，還需要注意主節(jié)點的自由度與節(jié)點順序，建立剛性自主生成約束方程［3］，建立主節(jié)點的自由度與從節(jié)點的Ux和Uz的約束方程。

2 試驗概況

2.1 試件材料及制作

試驗用的鋼管為廣東佛山晉和鋼材廠生產(chǎn)的無縫鋼管，材質(zhì)Q235/Q345，鋼管切割采用G4025臥式帶鋸床切割，六邊形鋼管混凝土短柱采用鋼管邊長90 mm，鋼管厚度9.0 mm，鋼材采用的強度為350 MPa，混凝土為 試驗現(xiàn)場配置的選用材質(zhì)，具體配料為：525號硅酸鹽水泥，石灰?guī)r碎石直徑最大25 mm，中度粗砂，砂率0.45，F(xiàn)DN高效減水劑，制作了3個同類長度950 mm，寬度380 mm的鋼板混凝土短柱［4］（表1）。

選用這種材質(zhì)的配合技術(shù)使用試驗，因為這是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)，有著施工速度快、施工 Prefabricated Cage System PCS 質(zhì)量容易控制、延性好和耗能能力強等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件中。當(dāng)柱體混凝土受力開裂進入彈塑性狀態(tài)后，由于混凝土的橫向變形恢復(fù)很少，則引起鋼板箍橫向應(yīng)變的積累，伴隨著產(chǎn)生了豎向應(yīng)變的積累，同時，鋼板箍對柱體混凝土的橫向約束也有一個積累［5］。

2.2 試驗加在及量測結(jié)果

試驗過程中，加載分級進行測量結(jié)果的測試，根據(jù)測試結(jié)果每一級增加預(yù)計極限荷載1/10，根據(jù)增加的每級進行儀表的記錄，持續(xù)增加荷載5～10 min，進行下級加載，荷載達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的0.5倍時達(dá)到極限荷載，每級加載減到荷載值的1/20進行增加，增加繼續(xù)持續(xù)5min結(jié)束。加載安裝位置情況以及荷載增加施加具體情況如圖2、圖3所示。

根據(jù)臨近的極限值荷載能力，判斷最小和最大的荷載能力，隨著慢慢增加和縮小的增加幅度來看，能夠承擔(dān)壓力的短柱外立和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都承擔(dān)了受力效果，在試件上也能夠等待安裝結(jié)束后，進行預(yù)壓2～3次，測定其具體應(yīng)變情況，直到試件中部位置對稱的應(yīng)變片得到縱向拉伸，縱向應(yīng)邊值得到記錄，相差不超過15%，否則會面臨斷裂風(fēng)險，測定其變化相應(yīng)數(shù)值后，試件中部位置對應(yīng)的應(yīng)變片需要一直保持幾何位置居中、對稱，以此提升試件對受壓結(jié)果的滿負(fù)荷承壓，在3根鋼板建筑混凝土短柱軸承壓力數(shù)值結(jié)果的統(tǒng)計如表2所示。

根據(jù)表內(nèi)記錄信息可以看出，實驗短柱1～3的實測屈伸度荷載（Nsc）分別是2 955/2 987/2 677 kW，實測極限荷載數(shù)值（Ns）分別是3 451/3 677/3 011 kW，實測極限壓縮應(yīng)變數(shù)值（g～）分別是1.65%/1.24%/0.99% kW，根據(jù)這些數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果可以看出實驗短柱在承載力的試驗中，功能得到了肯定，應(yīng)邊值和預(yù)計發(fā)生值保持在同一位置范圍內(nèi)，可以看出其試驗效果符合要求［8］。

3 數(shù)值模擬

3.1 荷載位移曲線

根據(jù)上述建立的有限元數(shù)值分析模型，對 實驗短柱1～3共3根鋼板短柱進行數(shù)值模擬，其荷載位移曲線如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知：荷載位移曲線的實驗結(jié)果與計算模擬結(jié)果基本吻合。說明文中所建立鋼板籠混凝土短柱有限元模型是有效的，選用材料和本構(gòu)是合理的。從圖4可知：鋼板混凝土短柱承載力隨著配箍特征值的增加呈現(xiàn)增長趨勢，這是由于在軸向荷載作用下，鋼板與混凝土同時受力產(chǎn)生縱向壓縮變形，而材料的泊松效應(yīng)，導(dǎo)致橫向產(chǎn)生變形，當(dāng)核心混凝土橫向變形大于鋼板橫向變形，此時鋼板產(chǎn)生橫向約束，阻礙混凝土向外擴張，在核心混凝土與鋼板間產(chǎn)生相互作用的約束應(yīng)力，鋼板與混凝土進入共同工作階段．隨著配箍率的增加，核心區(qū)混凝土更接近三向受壓，其軸心抗壓強度不斷提高，相應(yīng)的極限荷載對比狀況如圖5中3根短柱承載力綜合視圖所示。

3.2 混凝土短柱軸壓承載力數(shù)值

構(gòu)建3個試件鋼板混凝土短柱有限元模型分析中，實驗短柱1的數(shù)值曲線擬合度表現(xiàn)最好，試驗破壞效果較為明顯，但是1號模型的混凝土強度表現(xiàn)優(yōu)秀，現(xiàn)針對1號模型的變形圖與應(yīng)力圖進行細(xì)分拆解給出對比分析，如圖6所示。

在圖中，圖6（a）位試驗變形圖構(gòu)件原貌記錄，可以看出其變形的具體情況與鋼板混凝土的包裹緊密度及承載情況；圖6（b）中記錄了矢量變形的具體情況，矢量變形的具體情況登記深色受壓力最強，隨著顏色變淺受壓逐漸減小，可以發(fā)現(xiàn)其受力結(jié)構(gòu)由上向下逐漸變??；圖6（c）中表現(xiàn)了鋼板應(yīng)力結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出鋼板的藍(lán)色部分為應(yīng)力最大部分，屈服荷載值達(dá)到了290.45 MPa，通過試驗數(shù)據(jù)獲得的實驗短柱1的極限荷載值為28.33 MPa，鋼板的縱向?qū)崪y屈服強度為289.44 MPa，試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果接近且體現(xiàn)較好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)果分析

構(gòu)建混凝土材料非線性ANSYS有限元模型中鋼板混凝土短柱的仿真模擬試驗，通過數(shù)據(jù)對比，得到了鋼板配箍環(huán)境下混凝土短柱的軸壓承載力的性能影響及分析結(jié)果：實驗短柱1～3的實測屈伸度荷載（Nsc）分別是2 955/2 987/2 677 kN，實測極限荷載數(shù)值（Ns）分別是3 451/3 677/3 011 kN，實測極限壓縮應(yīng)變數(shù)值（g～）分別是1.65%/1.24%/0.99%，根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果可以看出實驗短柱在承載力的試驗中，功能得到了肯定，應(yīng)邊值和預(yù)計發(fā)生值保持在同一位置范圍內(nèi)，可以看出其試驗效果符合要求。數(shù)值模擬結(jié)果曲線與試驗數(shù)據(jù)曲線基本吻合，鋼板及核心區(qū)混凝土的最大應(yīng)力較為接近，說明該模型可以有效模擬鋼板混凝土短柱軸壓受力性能；另外隨著配箍率的增加，鋼板間距減小，鋼板混凝土短柱承載力逐漸增大，混凝土約束增強，核心區(qū)混凝土抗壓強度也得到提高。

5 結(jié)束語

在我國建筑業(yè)發(fā)展規(guī)模日益擴大的發(fā)展進程中，建筑技術(shù)更新?lián)Q代速度變得越來越快，建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善也變得越來越嚴(yán)格。建立和開展混凝土材料非線性ANSYS有限元模型試驗，有助于建筑業(yè)環(huán)境下對鋼板混凝土短柱進行大批量使用及投入實踐場所應(yīng)用。一方面能夠展現(xiàn)高強度鋼板配箍混凝土短柱壓承載力的強大支撐能力；另一方面能夠體現(xiàn)出較為準(zhǔn)確的軸向受壓荷載應(yīng)變能力，讓有限元ANSYS的功能更好地發(fā)揮出來，配合建筑專業(yè)提升試件的適用性，驗證其價值，在未來的研究中也要繼續(xù)開展各項短柱壓力承載實驗，發(fā)現(xiàn)更好的試件投入實踐，這一點具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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