型钢混凝土异形柱有限元建模研究

侯 卫，郝 丽，周雪峰

(1．西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710032;2．中联西北工程设计研究院，陕西 西安 710032)

型钢混凝土异形柱有限元建模研究

侯 卫1，郝 丽2，周雪峰1

(1．西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710032;2．中联西北工程设计研究院，陕西 西安 710032)

采用ANSYS软件对型钢混凝土异形柱试件的受力性能进行了非线性有限元数值分析，对型钢混凝土结构数值模拟中混凝土和钢材模型的定义、有限元建模、钢筋单元生成及后处理等关键技术进行系统研究，提出了一种快速建立型钢混凝土异形柱有限元模型的方法，以避免MESH过程中产生的单元不共用节点、划分网格错误等所带来的模型不收敛。模型应用表明，型钢、纵筋、箍筋以及混凝土单元应力、应变分布及发展过程数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。

型钢混凝土 异形柱 有限元分析

把柱的截面设计成“L”，“T”及“+ ”字形，使填充墙与柱肢同厚，形成异形柱体系，柱处不出现凸出的棱角，可显著提高空间利用率。普通钢筋混凝土异形柱虽然具有建筑功能以及美学的优越性，但是由于其轴压比限制低，抗震能力差，施工复杂，并且难以保证节点处施工质量，很难在工程中推广。型钢混凝土由于在截面中配置了型钢，可使构件承载力、刚度显著提高，能够广泛应用于高层建筑，并且型钢混凝土具有很好的延性和耗能能力，适于地震区应用。

我国现有的型钢混凝土结构设计规程尚不完善，计算理论还存在较多简化。因此，为较准确了解型钢混凝土结构构件受力性能，需要通过大量试验和有限元数值模拟进行结构分析。试验虽然不可替代，但是由于其成本高，周期长，并不能大规模地进行，因此，本文采用ANSYS对型钢混凝土异形柱进行有限元数值模拟分析，并且与试验数据进行对比，以验证数值分析的可行性与准确性。

目前型钢混凝土的有限元分析还不完善，尤其是型钢混凝土异形柱这种截面形式不规则、配钢复杂、构件单元类型多。大部分文献仅给出了它的整体式实体建模，虽然也能够模拟构件，但是建模复杂、划分网格复杂并且不容易收敛。本文提出一种快速建立分离式有限元模型的方法，经验证能够较好地与试验结果相吻合。

1 型钢混凝土异形柱构件参数

本文所采用的型钢混凝土异形柱试件的加载方式及纵向尺寸见图1，试件截面见图2，截面各部分尺寸和含钢率见表1。

图1 柱试件加载示意(单位:mm)

图2 L/T截面配T形钢(单位:mm)

表1 型钢混凝土异形柱的截面尺寸

混凝土强度等级采用C30;翼缘型钢屈服强度为385 MPa，极限强度为565 MPa;腹板型钢屈服强度为290 MPa，极限强度为435 MPa;纵筋和箍筋的强度分别为360和245 MPa。

2 ANSYS分析模型

型钢混凝土异形柱建模时，由于截面形状不规则，并且构件中含有纵向钢筋、箍筋、不同形式的型钢、具有离散性质的混凝土等多种材料，加载后容易出现不收敛，所以，在建模之前应对单元类型、材料参数等进行全面分析。

2.1 单元模型

2.1.1 混凝土单元

混凝土采用ANSYS单元库自带的八结点六面体单元即Solid65单元。每个节点有3个自由度，即x，y，z 3个方向的线位移。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面用单元的实体性能来模拟混凝土。

2.1.2 钢筋单元

钢筋单元在与混凝土组合后，无论是模型的网格划分还是分析钢筋内力都需要考虑到两者的相互作用。钢筋与混凝土的组合建议采用分离式模型，位移协调。把钢筋和混凝土作为两个单元进行建模，单元之间共用节点，以实现整体工作过程中自由度的耦合。两者的刚度矩阵是分开来求解的。考虑到钢筋是一种细长材料，通常可以忽略其横向抗剪强度，因此可以将钢筋作为线单元处理，采用空间杆单元Link8建立钢筋单元。其优点是建模比较方便，可以任意布置钢筋并可直观获得钢筋的内力。

2.1.3 型钢和垫块单元

型钢和垫块单元均采用三维实体结构Solid45实体单元模拟。

2.2 材料特性

2.2.1 混凝土材料特性

1)本构关系

通过对比分析，混凝土的本构关系采用Saenz模型，即单向应力状态下应力增量与应变增量之间的关系，如图3所示。这一模型能很好地反映混凝土的σ－ε曲线，并且能较好地模拟混凝土的下降段。

图3 混凝土本构关系示意

2)破坏准则

在ANSYS程序中，混凝土的破坏准则采用Willam-Warnke 5参数破坏模型。

3)使用方法和输入参数

张开裂缝的剪力传递系数βt对计算结果影响较大，其值在0～1之间。对于型钢混凝土异形柱建议取0.35～0.45。闭合裂缝的剪力传递系数βc一般取0.7～0.9。

2.2.2 钢材材料特性

型钢混凝土结构数值模拟中型钢和钢支座垫板的本构关系采用多线性随动强化模型(MKIN)，此模型为多线性的应力—应变曲线，模拟随动强化效应，并且考虑包辛格效应。此模型适用于服从Mises屈服准则的小应变分析，所以作为型钢和钢支座的材料模型比较真实。型钢和垫块采用单轴应力—应变关系，为多折线型，见图4(a);纵筋和横向箍筋采用双线性随动强化模型(BKIN)，单轴应力—应变关系为理想弹塑性模型，见图4(b)。

图4 材料应力—应变关系

2.3 网格划分及单元生成

首先直接创建节点，然后通过节点来创建单元，从平面到空间，直接形成有限元模型的节点和单元。型钢混凝土异形柱中，由于单元类型较多，并且截面形式复杂，因此虽然几何建模容易，但是对几何体划分单元时，不容易划分均匀，从而导致结果不真实。所以本文采用这种直接方法建立有限元模型，能够更好地控制网格划分大小和数目，以得到理想的网格。

直接法在建立单元之前，必须定义并向程序声明所要创建的单元属性，包括单元类型、实常数、材料特性、单元坐标系等。

3 计算结果分析

3.1 数值模拟结果分析

模拟计算时根据试验建立完整模型，施加位移约束，设定计算控制参数和计算步骤后按位移进行加载。型钢混凝土异形柱模型计算结果均收敛良好，数值模拟结果见表2。

表2 型钢混凝土异形柱模拟计算结果

3.2 型钢应力和应变

图5为型钢混凝土异形柱型钢最大主应力云图。从图中可看出，施加位移处型钢翼缘应力增大，并逐渐屈服，然后受压区型钢翼缘下部逐渐屈服，但中间腹板并未屈服。试件的破坏是由受压区和受拉区混凝土破坏控制。当达到极限荷载，相应的受拉区主筋、型钢翼缘和受压区主筋、型钢翼缘应力均下降到一定水平。

图5 型钢最大主应力云图(单位:MPa)

3.3 混凝土应力分布

图6为加载开始阶段和结束阶段型钢混凝土异形柱跨中截面混凝土应力分布图。从图中可以看出，从最开始加载，柱子表现出偏心受压的受力状态，翼缘受拉，腹板受压。由于腹板面积较小，即受压面积小，腹板混凝土渐趋于屈服进而达到极限，截面中和轴向翼。前缘靠近，使截面受压面积逐渐增大。

图6 混凝土主应力分布变化云图(单位:MPa)

4 结语

采用本文的有限元模型和建模方法，能够较快地建立型钢混凝土异形柱模型。通过对型钢混凝土异形柱中材料属性、本构关系和单元类型的合理选择，型钢、纵筋、箍筋以及混凝土单元应力、应变分布及发展过程数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。

［1］赵鸿铁．钢与混凝土组合结构［M］．北京:科学出版社，2001．

［2］杨勇，郭子雄，聂建国，等．型钢混凝土结构 ANSYS数值模拟技术研究［D］．西安:西安建筑科技大学，2006．

［3］尚晓江，邱峰，赵海峰．ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2008．

［4］龙跃凌，金雪峰．方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲的有限元分析［J］．铁道建筑，2010(7):138-139．

TU502+．6;TU528．571

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．51

1003-1995(2013)04-0166-03

2012-12-20;

2013-01-16

陕西省科学技术研究发展计划项目(2010K07-073);西安工业大学校长基金(XAGDXJJ-06026)

侯卫(1975— )，男，陕西西安人，讲师，硕士。

(责任审编 李付军)