軸心受壓方鋼管混凝土短柱極限承載力影響因素研究

朱 兵, 王 昌

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

方鋼管混凝土柱是一種新型的鋼混凝土組合柱，其截面形式如圖1所示。由于方鋼管對核心混凝土的約束作用相當于間距等于零的箍筋對混凝土的約束作用，所以其承載力明顯比普通混凝土高出許多。

圖1 方鋼管混凝土柱截面示意

國內外的科研工作者也分別對圓形和方形鋼管混凝土柱不同受力性能進行了試驗和有限元分析。

目前，對方鋼管混凝土在ABAQUS中進行模擬時的參數選取對數值分析的影響沒有考慮，本文鑒于此，分析了ABAQUS中參數取值對數值分析的影響，同時驗證了數值分析的可靠性。

1 材料本構關系模型

1.1 鋼材材料模型

根據文獻[6]，關于鋼材本構模型的選取原則。對于Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼等建筑工程中常用的低碳軟鋼，鋼材的應力-應變關系一般采用五階段模型。

本模型所用鋼管屬于低碳軟鋼。因此采用五階段模型本構，具體表達式參照文獻[2][5][6]。

1.2 混凝土材料模型

目前，描述混凝土本構關系的模型較多，在本次分析中，采用文獻[6]提出的核心混凝土等效應力-應變關系模型。

受拉區混凝土的應力-應變關系參考文獻[5]。

混凝土采用塑性損傷模型，損傷因子的取值參照文獻[7-10]。采用Britel和Mark提出的公式來計算混凝土拉壓狀態下的損傷系數dt和dc。

根據文獻[11]中的建議，當bt=0.4,bc=0.7時，計算結果與通過試驗得出的結果能很好地吻合。

CDP模型參照文獻[12]，膨脹角取30 °，塑性勢偏心率取0.1，雙軸極限抗壓強度與單軸極限抗壓強度比值取1.16，拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二應力不變量比值取2/3，粘性系數取0.000 5。本文參考文獻[13]取核心鋼管混凝土區混凝土的剛度權恢復系數wc=0.2,wt=0.0。

參考文獻[7]，因為混凝土應力-應變關系是根據大量的拉伸和壓縮試驗結果擬合而來，所以其應力應變的數據為名義應力值 為了能準確地描述大變形過程中截面面積的改變，需要使用真實應力σture和真實應變εture，兩者間相應的換算公式如下：

1.3 剛度大的彈性材料

數值模擬時，加載板采用剛度很大的彈性材料，彈性模量定義為1×1012MPa，泊松比定義為0.000 1。

2 有限元建模

本文利用有限元軟件ABAQUS建模。構件底部固定端設置剛性端板，約束6個自由度，構件頂部也設置剛性端板防止應力集中，設置參考點RP1并與構件頂部端板耦合，在參考點上約束除U3方向的平動自由度以外的其他所有自由度。本文通過參考點進行位移加載，收斂性較好。

外部方鋼管采用殼單元S4R模擬，核心混凝土，剛性端板采用三維實體單元C3D8R模擬，鋼材采用ABAQUS提供的各項同性彈塑性模型，服從VonMises屈服準則。鋼材在彈性階段的彈性模量取206 000MPa，泊松比取0.3。混凝土采用塑性損傷模型來模擬加載下的性能。混凝土彈性階段的泊松比取0.2。

鋼管和剛性端板采用Shell-to-SolidCoupling連接，剛性端板和核心混凝土采用Tie約束，鋼管內部和核心混凝土之間分別設置接觸：法向采用硬接觸，切向采用庫倫摩擦，摩擦系數取值參照文獻[14]取值0.6。剛性端板厚度取為10mm。

混凝土軸壓強度不同表示值之間的近似對應關系參考文獻[6]。

3 模型驗證

為驗證有限元模型的合理性，本文采用數值方法對劉威(2005)[2]的6個方鋼管混凝土柱的試驗構件的部分試件進行模擬計算，表1為方鋼管混凝土構件的有關參數，圖2～圖4為試驗結果曲線和有限元結果曲線的對比圖。

表1 方鋼管混凝土柱軸壓構件參數

圖2 SU-017°

圖3 SU-022°

圖4 SU-150°

4 參數分析

對于方鋼管混凝土軸壓構件而言，影響其載荷-位移曲線的因素有方鋼管混凝土的寬度，方鋼管的厚度，鋼材的屈服強度以及核心混凝土的圓柱體抗壓強度。通過大型通用有限元軟件ABAQUS來研究以上因素對方鋼管混凝土軸壓構件的載荷-位移曲線的影響。同時研究ABAQUS有關參數取值對載荷-位移曲線的影響。典型軸壓構件的基本數據為：B=127mm，t=7.47mm，L=609.6mm，fy=347MPa，fc=23.8MPa。

從圖5(a)～5(e)中可以看出隨著混凝土強度(fc)、鋼管材料強度(fy)、方鋼管混凝土寬度(B)、方鋼管厚度(t)、粘性系數(μ)的增大，構件的抗壓承載力明顯增大，但對載荷-位移關系曲線的彈性階段的影響并不明顯。

5 結論

(1)基于ABAQUS對方鋼管混凝土載荷-變形關系曲線模擬與試驗結果吻合的較好，進一步證明了數值分析的可靠性。

(2)要想提高方鋼管混凝土的極限承載力的措施主要有提高核心混凝土的強度，提高鋼管鋼材的強度，增大方鋼管混凝土的寬度以及方鋼管的厚度。

(3)在用ABAQUS對方鋼管混凝土載荷位移曲線進行模擬時，粘性系數盡可能小，以保證數值模擬與試驗數據的接近。