淺談不同截面鋼管混凝土軸心受壓的有限元分析

混凝土與鋼材至今為止仍是無(wú)可代替的，目前兩者共同發(fā)展的方向主要是提高強(qiáng)度。但是，混凝土的強(qiáng)度越高，它的脆性也就越大。尤其在地震區(qū)，高強(qiáng)混凝土延性差的問(wèn)題顯得尤為突出，這就大大限制了它的推廣與應(yīng)用。鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)正好解決了這些問(wèn)題。它的優(yōu)點(diǎn)在于能充分發(fā)揮鋼材和混凝土這兩種材料的各自優(yōu)勢(shì)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最好的各自性能。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，就是一種介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，具有許多其它結(jié)構(gòu)形式所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有抗壓承載力高、塑性和韌性好、耐火性能較好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，可提供極好的抗震性能。另外，在施工階段省去了支模和拆模的工序，因而施工方便，施工周期短，經(jīng)濟(jì)效益好，具有廣闊的發(fā)展前景。在近幾十年來(lái)鋼管混凝土發(fā)展迅速，在工業(yè)廠房、橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和建筑效果。

本文基于已有的研究成果，通過(guò)非線性有限元模擬軟件分析鋼管混凝土在軸壓下的變化趨勢(shì)，與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了有限元計(jì)算分析的可靠性。

一、鋼管混凝土軸壓破壞分析

鋼管混凝土工作過(guò)程主要是：在施加外荷載的初期，由于鋼管的泊松比大于混凝土的泊松比，外荷載小時(shí)混凝土初始橫向變形不大，外鋼管對(duì)其基本沒(méi)有約束，它們之間應(yīng)力的傳遞主要靠鋼管內(nèi)壁與混凝土內(nèi)壁之間粘結(jié)來(lái)傳遞，兩者基本上是單獨(dú)工作的；隨著外荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)核心混凝土的橫向變形達(dá)到一定值時(shí)，其泊松比也達(dá)到或接近鋼管的泊松比，鋼管壁將受到核心混凝土沿徑向的壓應(yīng)力，同時(shí)鋼管也對(duì)核心混凝土產(chǎn)生徑向的壓應(yīng)力，此時(shí)外鋼管對(duì)核心混凝土開(kāi)始產(chǎn)生“約束作用”，而核心混凝土也對(duì)鋼管起支撐作用，可防止管壁屈曲，此時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)了鋼管混凝土的優(yōu)勢(shì)；當(dāng)外荷載達(dá)到鋼管混凝土的極限狀態(tài)時(shí)，鋼管壁屈曲，核心混凝土壓碎而宣告構(gòu)件破壞。

由此可知當(dāng)鋼管混凝土構(gòu)件的鋼管壁發(fā)生局部屈曲時(shí)，鋼管混凝土構(gòu)件的承載力會(huì)受到其影響。這種影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是使的屈曲部位的鋼管部分截面提前退出工作，另一方面是降低了鋼管對(duì)混凝土的約束作用。總之，鋼管混凝土構(gòu)件的承載力會(huì)隨著鋼管管壁局部屈曲的發(fā)生而降低。其中因鋼管部分截面提前退出工作而使得鋼管承載力明顯下降是導(dǎo)致鋼管混凝土構(gòu)件承載力下降的主要因素。另外，當(dāng)鋼管混凝土發(fā)生局部屈曲時(shí)鋼管管壁和混凝土在局部屈曲部位的接觸面會(huì)發(fā)生脫離，在外觀的宏觀表現(xiàn)為鋼管管壁出現(xiàn)局部突出。根據(jù)局部屈曲作用對(duì)鋼管混凝土的影響效應(yīng)，我們可以在有限元分析中考查鋼管混凝土是否發(fā)生局部屈曲。

二、有限元模型的分析與確定

1.材料的定義

材料的本構(gòu)關(guān)系是材料在受力全過(guò)程中力與變形物理關(guān)系的描述，是材料內(nèi)部微觀機(jī)理的宏觀行為表現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形計(jì)算中必不可少的。鋼管混凝土是由鋼管和混凝土兩種材料共同組成，在受力過(guò)程中兩種材料相互作用，使得它們一般都處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。為了分析鋼管混凝土荷載的靜力學(xué)性能及其影響參數(shù)，必須首先確定鋼材和混凝土的本構(gòu)模型以及鋼管與混凝土界面的力學(xué)模型。

混凝土的本質(zhì)特點(diǎn)是材料組成的不均勻性，且存在微裂縫。混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是高度非線性的，且受其組成、成型工藝和使用環(huán)境的嚴(yán)重影響。特別是在復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和加載歷史下，混凝土的本構(gòu)關(guān)系會(huì)更加復(fù)雜。因此，雖然國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究，建立混凝土破壞強(qiáng)度條件和令人滿意的本構(gòu)關(guān)系模型仍然處于探索的過(guò)程中。隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，一些可用于有限元分析的較復(fù)雜的混凝土本構(gòu)模型相繼出現(xiàn)，并隨著理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展，使得混凝土有限元分析研究己進(jìn)入相當(dāng)實(shí)用的階段。

在混凝土的本構(gòu)關(guān)系上各國(guó)學(xué)者提出了很多模型，如損傷模型，彈塑性本構(gòu)模型，內(nèi)時(shí)本構(gòu)模型，粘彈性和粘塑性本構(gòu)模型等。本文采用塑性損傷本構(gòu)模型。鋼材的材料性質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用VON.MISES準(zhǔn)則，并考慮材料強(qiáng)化。

2.單元類型的選取

鋼管采用四節(jié)點(diǎn)完全積分格式的殼單元（S4），為滿足一定的計(jì)算精度，在殼單元厚度方向采用9個(gè)積分點(diǎn)的Simpson積分。S4屬于一種通用的殼單元，即它允許沿厚度方向的剪切變形，隨著殼厚度的變化，求解方法會(huì)自動(dòng)服從厚殼理論或薄殼理論，當(dāng)殼厚度很小時(shí)，剪切變形變得非常小。此外，S4考慮了有限薄膜應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于有限應(yīng)變殼單元，因此它適于包含大應(yīng)變的分析。

核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)縮減積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R）。

三、不同截面鋼管混凝土軸壓對(duì)比分析

保證了有限元模型的正確性和準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上，分析了出現(xiàn)不完全吻合的一些影響因素。根據(jù)定義之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元模型的建立，分別創(chuàng)建了方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土兩個(gè)有限元模型，通過(guò)對(duì)2種不同截面的模型加載，通過(guò)有限元模擬分析得出：

當(dāng)寬厚比為20的時(shí)候，固結(jié)與摩擦所計(jì)算出的位移荷載曲線基本重合，這說(shuō)明當(dāng)寬厚比較小的時(shí)候，鋼管混凝土柱的破壞機(jī)理是強(qiáng)度破壞，而不是因?yàn)榍斐傻某休d力下降，當(dāng)寬厚比為50和100的時(shí)候，兩種接觸方式所造成的荷載位移曲線有較大不同：當(dāng)載荷較小的時(shí)候兩條曲線差距不大，當(dāng)荷載較大的時(shí)候，構(gòu)件發(fā)生屈曲，造成承載力降低，鋼管與混凝土之間分離，構(gòu)件隨之發(fā)生屈曲破壞。根據(jù)有限元模型發(fā)生屈曲時(shí)的形態(tài)，表明構(gòu)件都是受到軸向壓力，發(fā)生向外鼓曲，因此這種破壞形式屬于局部屈曲破壞。

四、結(jié)語(yǔ)

模擬鋼管混凝土柱的建模過(guò)程中，鋼管單元選用各向同性的彈塑性材料模型，滿足VONMISES屈服準(zhǔn)則，采用四節(jié)點(diǎn)完全積分格式的殼單元（S4R）混凝土單元采用損傷塑性模型，和八節(jié)點(diǎn)縮減積分格式的三維實(shí)體單元（C3D8R>，兩者界面之間采用硬接觸，采用庫(kù)倫摩擦模型來(lái)模擬鋼管與核心混凝土界面切向力的傳遞，結(jié)果表明這么選擇對(duì)結(jié)果有較好的收斂性，驗(yàn)證了模型的正確性。

采用有限單元法模擬鋼管混凝土軸向受壓，對(duì)兩種不同截面的鋼管混凝土柱進(jìn)行了研究，研究表明方鋼管混凝土柱相對(duì)圓鋼管混凝土柱達(dá)到屈曲后，承載力有一個(gè)明顯的下降，因此圓鋼管混凝土柱較之方鋼管混凝土柱有較好的延性和抗變形能力。其于其他條件相同的鋼管混凝土柱，構(gòu)件截面寬（徑）厚比越大，局部屈曲出現(xiàn)的就越早，也越容易發(fā)生屈曲。

作者簡(jiǎn)介：

杜煜（1986.01.10～ ），男，籍貫：湖北省竹山縣，學(xué)歷：碩士研究生，畢業(yè)院校：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)有職稱：初級(jí)，研究方向：工程力學(xué)。