薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析

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发布时间：2021-09-06

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薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析
马忠吉，韩素滨
【1．哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨150090； 2．黑龙江省新建监狱3-程设计科。哈尔滨150069)
【摘要】依据合理简化的力学模型，利用大型有限元软件ABAQUS建立了精细化有限元模型，通过合理选
取材料的本构模型，对薄壁方钢管高强混凝土短柱力学性能进行了有限元分析。研究了混凝土与钢管之问的摩
擦对薄壁方钢管屈曲模态的影响，钢管与混凝土之间不同接触方式、不同的初始缺陷对薄壁方钢管高强混凝土短
柱承载能力的影响，并将数值分析结果同文献提出的公式进行比较，证实了本文有限元模型的可行性。
【关键词】薄壁方钢管混凝土；屈曲模态；非线性有限元分析
【中图分类号】TU375．3 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2012)03—0077—02
方钢管高强混凝土具有承载力高、抗震性能好的优点，
同时外包钢管可以作为施工模板，所以方钢管混凝土结构
施工方便快捷，具有较好的经济效益⋯ 。以前，钢管混凝土
结构主要用于高层、大跨结构和重型工业厂房，因此要求钢
管混凝土柱的钢管较厚，径厚比通常较小，规范规定，当
方钢管混凝土径厚比小于60 35 时，可不考虑钢管的
局部屈曲。随着建筑结构技术的发展，对结构的抗震要求
越来越高，因此在抗震地区，为了提高高强混凝土的延性，
同时也为了取得较好的经济效益，可以在一些中、低层建筑
物、中等跨度结构和普通工业厂房中使用薄壁方钢管高强
混凝土柱。然而，随着钢管宽厚比的增大，薄壁钢管的局部
屈曲对薄壁钢管高强混凝土柱承载能力的影响不可忽略。
随着有限元法的不断发展，在钢结构、混凝土结构和组
合结构的分析中得到了越来越多的应用，有限元方法也成
为了除试验研究、理论分析之后的第三种结构分析方法，运
用有限元法可以得到试验中很难得到的一些重要的结构反
应信息。本文利用大型有限元软件ABAQUS建立了精细化
有限元模型，研究了混凝土与钢管之间的摩擦对薄壁方钢
管高强混凝土短柱屈曲模态的影响，深入分析了钢管与混
凝土之间不同接触方式、不同初始缺陷对薄壁方钢管高强
混凝土短柱承载能力的影响。
1 有限元计算模型
(1) 模型设计。本文设计了一组钢管混凝土柱并进行
承载能力有限元分析，分析中考虑的参数为钢管与混凝土之
间的不同接触方式，包括允许钢管与混凝土表面分开与不允
许分开，钢管初始缺陷峰值分别取为0．2、0．5、1、2mm。图1
所示为钢筋混凝土对比试件和钢管约束钢筋混凝土柱的截面
形式。混凝土柱截面尺寸为200mm X 200mm。试件高度为
600mm，钢管厚度为1．5mm，钢管的径厚比为133。
(2) 材料本构关系。ABAQUS 软件的材料模型库提
供了大量的非线性本构模型，本文混凝土的受压应力应变
曲线采用了韩林海建立的适用于钢管混凝土结构分析的
应力应变曲线，该曲线较好的模拟了混凝土材料受压破坏
全过程的特征，适用于圆形和方形钢管混凝土结构的非线
性有限元分析。受拉段的曲线采用双线性关系式，达到峰
值应力前采用线性增长。在下降段采用线性下降，考虑钢
筋混凝土的受拉硬化效应。极限拉应力取为0．02A．为抗
拉强度。最终采用的混凝土单轴应力一应变关系表达式见
参考文献[4]。在本文中，混凝土单轴抗压强度等级为C60，
取为47．4MPa，单轴抗拉强度取为4．7MPa。
钢管、采用ABAQUS 软件中提供的等向硬化弹塑性
模型，采用Von Mises屈服准则，Yon Mises屈服准则适用于
模拟与静水压力无关的材料的力学性能，屈服面为连续曲
线，在数值计算中易于处理，适用于钢材的非线性有限元分
析，计算结果很接近材料的真实状态。钢管应力应变曲线
采用文献[4]表达，钢筋屈服应力315MPa，钢材的弹性模量
取2．06 X 10 MPa，塑性强化阶段弹性模型取0．01E。
(3) 单元划分。混凝土采用C3DSR单元。经过网格
试验，在网格划分上进行了优化网格尺寸为20mm，不仅满
足了计算的经济性，同时也保证了有限元分析结果的精度。
(a)核心混凝土 (b)薄壁钢管
图1 试件的有限元模型
钢管采用四点缩减积分壳单元S4R。在厚度方向，采用
7个Simpson积分点，这种单元具有较高的精度，也可以减少
许多自由度，提高了计算的效率，网格尺寸为20mm。
(4) 边界条件。试件在底端约束三个平动自由度和
三个转动自由度，加载端约束除轴向外五个自由度。钢管
与混凝土之间的接触采用界面单元模拟混凝土与钢管之间
的接触，摩擦系数取为0．20 J。计算中，采用位移加载方
式，计算时，采用增量迭代法求解非线性方程。
2 计算结果分析
(1) 屈曲模态分析。依据以上建立的有限元模型，对
78 低温建筑技术 2012年第3期(总第165划)
试件进行了模态分析，计算分析中取前十阶模态，图2给出
了前三阶屈曲模态，由图可以看出，由于核心混凝土的存
在，改变了钢管的屈曲模态，钢管只能发生往外的屈曲，不
能往里屈曲。表1给出前十阶模态的特征值，可以看出，对
于方钢管混凝土短柱，前十阶模态的特征值非常接近，因此
在实际结构里，并不一定由第一阶模态控制结构的非线性
屈曲模态，因此需要对模态进行组合，以确定结构可能的最
小承载力。