圓鋼管混凝土中長柱軸壓性能有限元分析★

李　斌　落凱妮　王柯程

(1.內蒙古科技大學土木工程學院，內蒙古 包頭　014010；　2.西北設計院，陜西 西安　710065)

0　引言

ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有強健的計算功能和廣泛的模擬功能，擁有大量不同種類的單元模型、材料模型和分析過程等。ABAQUS解決問題的范圍從相對簡單的線性問題到許多復雜的非線性問題，從靜態和準靜態問題到穩態和動態問題，其計算分析都會得到令人滿意的結果[1]。故本文將采用ABAQUS軟件對試驗試件進行模擬分析。

1　模擬研究對象

本次模擬以試驗的14個試件為模擬對象，試驗試件參數見表1。實驗前進行了材性試驗，測得鋼管的彈性模量為204 000 MPa，屈服強度403 MPa，極限強度518 MPa，混凝土的彈性模量為30 000 MPa，立方體抗壓強度31 N/mm2。

表1　試驗試件參數表

2　材料本構模型

2.1　核心混凝土本構模型

有限元分析軟件的材料庫為混凝土的本構關系提供了多種模型。其中塑性損傷模型應用最為廣泛，可以模擬各種結構類型中混凝土并且可以有效分析各種問題，收斂性良好。故本次模擬混凝土本構關系選取塑性損傷模型。具體應力(σ)—應變(ε)關系模型如下：

ε

c

=(1 300+12.5×

f

c

′)×10

-6

;

η

=1.6+1.5/

x

。

2.2　鋼材本構模型

常用建筑鋼材的應力應變關系曲線一般可分為五個階段：彈性階段(oa)、彈塑性階段(ab)、塑性階段(bc)、強化階段(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、屈服強度和抗拉強度，鋼材屈服時滿足Von-Mises屈服準則。本文所用Q235鋼材在有限元分析中的本構采用如上所介紹的二次流塑模型，鋼材屈服強度fy和彈性模量Es的取值由鋼材拉伸試驗測得。

上述簡化曲線的五個階段數學表達式為：

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

由于鋼管壁厚度遠小于鋼管高度，所以創建鋼管時采用四節點縮減積分格式的殼單元(S4R)，它允許沿厚度方向產生剪切變形，能夠模擬出鋼管的變形。在殼單元的厚度方向上采用9個積分點的Simpson積分以滿足精度要求。采用八節點線性減縮積分的三維實體單元(C3D8R)來模擬核心混凝土和加載版，既滿足精度要求，計算時間也不長，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滑移組成。鋼管與混凝土之間接觸面的切向力計算采用摩擦模型，摩擦系數取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時，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

試驗試件兩端均為鉸接的邊界條件，故模型端部作為加載端，對其約束X和Y兩個方向的位移，允許位移在荷載作用下沿Z方向發展。有限元計算模型如圖2所示。

3.4　網格劃分

4　有限元計算結果

有限元模擬得到的圓鋼管混凝土中長柱最終破壞形態均為整體屈曲失穩破壞，與試驗結果吻合。圖4為典型試件的有限元模型破壞形態圖。

4.1　有限元模擬應力云圖

由圖5可知，核心混凝土和圓鋼管的最大應力均發生在柱中部位置的撓曲線平面處，鋼管的最大應力超過了其極限強度，混凝土的最大應力沒有超過其實測抗壓強度值，這說明試件中段鋼管失穩破壞，符合實驗結果。

4.2　有限元與試驗承載力對比

表2　試件有限元與試驗承載力對比表

據表2，對圓鋼管混凝土中長柱的承載力，ABAQUS有限元計算結果普遍高于實驗結果，主要是因為有限元沒有考慮初始缺陷，材料處于理想狀態。但整體誤差在10%以內，屬于工程允許范圍。這說明本文所用的ABAQUS有限元計算模型及分析方法是可行的。

5　結語

本文利用ABAQUS有限元建立圓鋼管混凝土柱模型，通過合理選擇單元模型、材料本構關系、邊界條件、網格密度等，將有限元計算結果與實驗結果對比分析，有限元計算所得的承載力雖然普遍高于試驗結果，但偏差均在10%以內，屬于允許誤差范圍，驗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均為整體屈曲失穩破壞，應力最大值出現在試件的跨中受壓區，這也與試驗結果吻合。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：