多邊形空心鋼管混凝土軸壓短柱非線性分析★

葉柏龍 吳奇超

(中南大學土木工程學院，湖南長沙 410083)

0 引言

空心鋼管混凝土構件采用離心法澆筑管內混凝土并通過蒸汽養生制成，混凝土部分為中空。具體在使用時，一般先預制，再通過機械運輸到施工現場進行組裝?？招匿摴芑炷两Y構與鋼管混凝土結構比較能縮短工程工期，節約水泥用量，節省空間，工廠化生產使質量穩定可靠等諸多優點。近年來，隨著各種截面形式的空心的鋼管混凝土的不斷出現，給空心鋼管混凝土在工程建設中提供了很大的發展前景。

目前，學者查曉雄以及其他研究者對空心鋼管混凝土的力學性能進行了大量的試驗研究和理論分析，其相關的試驗研究成果可以在CECS 254:2009空心鋼管混凝土結構技術規程中找到。隨著空心鋼管混凝土柱在工程中的應用越來越廣泛，有學者曾經用ABAQUS軟件對圓形空心鋼管混凝土短柱軸壓試驗進行了模擬［1］，為了深入了解四邊形和八邊形的空心鋼管混凝土軸壓構件的工作機理，本文采用大型通用ANSYS軟件對多邊形空心鋼管混凝土軸壓試驗進行模擬。

1 有限元模型及分析

1.1 試驗資料

本文分別用文獻［2］中一組四邊形截面和另一組八邊形截面軸壓短柱試件為例，分別進行比較。它們的截面形式如圖1，圖2所示，相應的試件數據資料如表1所示。

圖1 四邊形鋼管混凝土實體模型

圖2 八邊形鋼管混凝土實體模型

表1 試件資料

1.2 材料類型

在本次分析中，核心混凝土采用多線性隨動強化混凝土模型(MISO)，混凝土破壞準則采用William-Warnke五參數強度準則，這對混凝土強度性能的描述足夠準確。由于四邊形和八邊形鋼管對內部混凝土的約束力不強，并且約束力很不均勻，表現為角部的混凝土受的約束力強，邊部中間混凝土受的約束力弱［3］，故其應力—應變模型可采用混凝土結構設計規范中素混凝土的應力—應變關系表達式［4］(見圖3)。

圖3 混凝土的應力—應變曲線

鋼材使用雙線性隨動強化模型(BKIN)，根據多邊形鋼管混凝土的鋼管縱向受壓、橫向受拉的特點，其屈服準則采用Von Mises屈服準則，能較好地模擬低碳鋼的彈塑性性能，彈性模量及屈服強度都按照實測結果取值，其應力—應變關系表達式［5］見圖4，該簡化的應力—應變曲線一般分為彈性段、彈塑性段、塑性段、強化段和二次塑流等五個階段，其在鋼管混凝土構件有限元分析中較為常用。

圖4 鋼材的應力—應變曲線

1.3 單元選擇及網格劃分

ANSYS自帶的單元類型有殼單元、實體單元、薄膜單元、梁單元和桿單元等等。鋼管采用Soild45單元［6］，核心混凝土和蓋板都采用Soild65單元［6］，且蓋板采用剛性面。Soild45是八節點六面體單元，在單元的每個節點上有三個自由度;Soild65是三維八節點等參元Soild45單元的基礎上，增加了對于混凝土的材料參數和組合式鋼筋模型?；炷敛此杀热?.2，鋼材泊松比取0.3;混凝土的彈性模量為Ec=3×104MPa，鋼材的彈性模量為Ec=2×105MPa。

利用大型通用有限元軟件ANSYS進行有限元分析時，需要同時考慮網格劃分密度的合理性和經濟性。本文采用網格試驗的方法確定網格劃分的密度，即先執行一個認為是合理的網格劃分的初始分析，再在危險區域利用兩倍多的網格重新分析并比較兩者的結果。如果這兩者給出的結果幾乎相同，則網格是足夠的。如果產生了顯著不同的結果，應該繼續細化網格直到隨后的劃分獲得了近似相等的結果。網格劃分的結果如圖5，圖6所示。

圖5 四邊形鋼管混凝土網格劃分

圖6 八邊形鋼管混凝土網格劃分

1.4 約束和邊界條件

利用大型通用有限元軟件ANSYS對多邊形空心鋼管混凝土短柱軸壓過程進行全過程分析，分析模型中，假設鋼管與混凝土之間是徹底粘結的［7］，即不考慮界面之間的粘結滑移對多變形空心鋼管混凝土整體性能的影響。

為了符合真實的加載情況，對模型的邊界條件進行限制。將模型底面蓋板沿模型縱向的平動自由度和繞兩個水平軸的轉動自由度均約束為0，同時在模型的柱頂面蓋板上采用位移加載的方式進行加載，既設定模型沿縱向的位移值，又約束其繞兩個水平軸的轉動自由度。采用位移加載的原因是:1)若采用力的加載方式，在求解到構件極限峰值時會很難繼續計算下去，得不到下降值;2)由于平截面假定截面上的應力分布是不均勻的，同一高度上的鋼材單元要大于混凝土單元的應力，且材料進入非線性階段時截面上的應力還要重分布。

圖7 四邊形空心鋼管混凝土結果對比

2 結果分析

提取底部截面的豎向反向得到軸向壓力，由底部截面平均位移除以構件長度得平均應變，經過軟件計算分析后，可以得到其軸壓荷載—應變關系曲線的模擬結果，圖7，圖8分別給出了四邊形和八邊形空心鋼管混凝土模擬結果與兩個試件的試驗結果的對比，從圖中可以看出，多邊形空心鋼管混凝土軸壓荷載較小時，荷載—應變曲線基本保持直線，試驗曲線和有限元模擬曲線吻合較好;當荷載值增大到一定值時，荷載—應變曲線表現為非線性，這時，試驗曲線和有限元模擬發生微小偏離;當曲線達到峰值點進入下降段后，試驗曲線的下降段與試驗模擬曲線的下降段有一定偏離。

圖8 八邊形空心鋼管混凝土結果對比

3 結語

利用大型通用有限元軟件ANSYS模擬得到試件軸壓荷載—應變曲線，該試驗結果和模擬結果之間很相似，說明ANSYS軟件能較好地模擬和分析多邊形空心鋼管混凝土短柱的軸向受壓的全過程，且能很好地得出軸向受壓的荷載—應變關系曲線，這有助于深入認識多邊形空心鋼管混凝土的力學性能，與此同時，也可以說明本文所建ANSYS有限元模型的準確性。

在有限元分析中，未考慮多邊形空心鋼管混凝土中鋼材與混凝土之間滑移的影響，但試驗結果和ANSYS模擬結果非常接近，說明在模擬多邊形空心鋼管混凝土時可以不考慮鋼管對混凝土的約束作用。

由實驗結果對比可知，八邊形空心鋼管混凝土的短柱軸壓比四邊形空心鋼管混凝土的軸壓會略大，這與實際情況也很吻合，進一步證明了ANSYS有限元模型和相關假設的合理性。

［1］趙 亮，馬 瞻.空心鋼管混凝土軸壓短柱的有限元分析［J］.山西建筑，2013，39(9):37-38.

［2］鐘善桐，徐國林.空心鋼管混凝土軸心受壓構件的工作性能和承載力［J］.建筑鋼結構進展，2006(1):7-8.

［3］查曉雄，黎玉婷，鐘善桐.圓形、多邊形、實、空心鋼管混凝土柱軸壓組合強度統一公式［A］.2010年全國鋼結構學術年會論文集［C］.

［4］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［5］韓林海，陶 忠，劉 威.鋼管混凝土結構—理論與實踐［J］.福州大學學報(自然科學版)，2010(9):50-52.

［6］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結構有限元分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］黃翔宇，石少卿，尹 平，等.高強鋼管混凝土短柱軸壓承載力試驗和有限元分析［D］.重慶:后勤工程學院，2005.