鋼管混凝土中的栓釘受力有限元模擬分析

(華南理工大學 土木與交通學院 廣東 廣州 510641)

引言

隨著建筑的發展，鋼管混凝土得到越來越多的運用。鋼管混凝土可以很好的結合鋼材及混凝土的優點，并且鋼管的存在大大的提高了內部混凝土的受力性能。為了保證鋼管與混凝土的協同工作，在設計中是設置抗剪連接件來實現，而栓釘是最常見的抗剪連接件。國內外學者已經對普通結構的栓釘抗剪承載力進行了大量研究，但對于不同結構形式下的栓釘承載力不盡相同，國內規范[1]大大低估了鋼管混凝土的栓釘抗剪力大小，為此本文提出一種針對帶栓釘的鋼管混凝土推出試驗的有限元模型，用于研究不同試件參數栓釘在推出試驗中的受力及變形特性。

一、有限元模型

采用ABAQUS對設置栓釘的鋼管混凝土推出試驗進行有限元模擬，為了節約計算成本且考慮到試件的軸對稱性質，建立1/4推出試件模型。

(一)材料本構。推出試件包含三個材料，栓釘、混凝土以及鋼材，如何正確的采用準確的本構模型對整個推出實驗的模擬至關重要。其中內部混凝土采用韓林海[2]建議的鋼管中混凝土的本構，參見式(1)，

(1)

η=1.6+1.5/x;εc=(1300+12.5fc)×10-6με;

圖1 混凝土受壓應力-應變曲線

采用開裂能來模擬混凝土受拉，參見式(2)

(2)

式中，fcm=fck+8MPa

圖2 鋼材應力-應變模型

(二)單元模型

1.網格單元。鋼管混凝土試件中包含3種單元，栓釘、鋼管以及混凝土，皆采用實體單元C3D8R三維實體單元模擬，提高計算精度。并采用結構化(Structured)予以劃分網格，因在實際工程中栓釘焊接在鋼管上，所以在栓釘根部對單元進行加密處理，所建立典型模型參加圖3。

圖3 典型試件有限元模型

2.接觸模擬

設置栓釘與鋼管為一體，栓釘與混凝土的界面的法方向設置為“硬”接觸，可以模擬栓釘與混凝土兩表面的傳遞壓力，且當壓力大小為0或為負數時，兩表面則分離結束無接觸；切向方向采用庫侖摩擦模型(“罰”接觸)，摩擦系數設置為0.4。鋼管與混凝土接觸模型在栓釘與鋼管接觸模型的基礎上，增加粘聚力接觸模型(Cohesive Model)來模擬鋼管與混凝土之間的化學膠結力以及部分機械咬合力，采用圖4所示粘聚力本構曲線。

圖4 粘聚力荷載-位移曲線

在位移到達S0之前，粘結強度一直上升，在相對滑移到達S0時粘結強度達到最大值，隨后粘結強度隨著相對滑移增大而增大，最終在相對滑移達到S1時，粘結強度降至為0。

參考文獻[3]定義切向上升段剛度knn=ktt=kss=0.6Mpa(n為界面法方向，s、t為界面兩切向方向)，根據不同的鋼管及混凝土表面處理，極限粘結強度τmax取值不同。采用位移準則對粘聚力的損傷進行演化，即利用極限位移S1來定義粘聚力剛度損傷的下降階段，取S1=3S0。

二、算例驗證

本文利用陳寶春等[4]、任慶英等[5]中試驗結果對本有限元模型進行驗證，鋼管截面分別為圓形及正方形，典型試件參數如圖5。

(a)文獻[4]試件I-2

(b)文獻[5]試件5#

(一)破壞模式

文獻[4]及[5]中，所有試件破壞模式皆為栓釘在根部被剪斷，局部混凝土被壓碎，鋼管沒有屈服。如圖6所示，從加載后混凝土損傷圖以及栓釘應力圖可以很好的模擬出試件破壞后形態及分布。

圖6 破壞對比圖

(二)數據對比

從圖7中I-2及2#模擬與試驗荷載滑移曲線可以得到，試件破壞由彈性段、彈塑性段以及下降段組成，有限元結果可以很好的模擬出彈性段及彈塑性段(峰值位移前)，但進入下降段后，存在偏差，這是由于有限元軟件不能很好的模擬栓釘斷裂現象以及粘結接觸破壞后的非線性行為，但整體上可以很好的模擬出變化趨勢以及峰值位移。

圖7 荷載-滑移曲線

下表1列出了栓釘抗剪承載力與試驗對比，可以得出差值在5%左右，精度較高，可以很好的研究栓釘抗剪承載力大小。

表1 栓釘抗剪承載力對比 單位：KN

三、結論

采用軟件ABAQUS建立的鋼管混凝土中栓釘受力的三維實體有限元模型，考慮了材料及幾何的非線性，利用了粘聚力接觸模型(Cohesive Model)來模擬鋼管與混凝土之間的化學膠結力，所得結果與試驗符合較好，但因對粘聚力接觸損傷未有精確建立，不能精確模擬出試件破壞后狀態。提出的模型適用于研究分析鋼管混凝土及鋼-混凝土組合結構中栓釘連接件的承載能力及變形行為。