薄壁钢管混凝土轴压下有限元分析

钱拓，完海鹰

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 慨 述

随着现代社会的高度发展，建筑工程对建筑材料和建筑结构的要求已经越来越高。为了满足这些要求，新的结构形式逐渐出现，其中薄壁结构占有举足轻重的地位。

薄壁结构由于其受力较均匀，因此具有很高的强度和很大的刚度。但它也有一定的缺点，由于其体型过于复杂，所以相应的费时费工，不利于施工化的推广。而在现代建筑发展中，大跨度、高耸结构等复杂结构越来越多，为了满足现代施工技术的工业化要求，薄壁结构以复合结构的形式逐渐出现在建筑工程中，其中薄壁钢管混凝土是这类结构的典型范例。

众所周知，对于单独的薄壁钢管来说，其临界承载力极不稳定，但是增加了混凝土后，这种薄壁复合结构的承载力就得到了一定的提高。

由于受初始缺陷、局部屈曲和非线性等因素的影响，薄壁钢管混凝土的极限承载力的理论分析比较复杂，而且实验研究又不可能包含所有的参数，但是为了更清晰的了解薄壁钢管混凝土这一复合结构的受力性能以及定量描述承载力提高的程度，本文运用大型有限元软件ANSYS对试件进行一定的非线性有限元分析,通过单一空钢管以及相同尺寸的钢管混凝土的对比模拟和一定的有限元参数分析，得出构件各部分的纵向应力云图，以便了解钢管混凝土的复合承载力提高程度，从而为分析探讨钢管混凝土这种复合结构的巨大优越性提供一定的依据。[1]

2 薄壁钢管混凝土

薄壁钢管混凝土是指在薄壁钢管中填充混凝土而形成的一种新型组合结构，且钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用的结构构件。钢管混凝土的基本原理为：一方面借助圆形钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使管内的混凝土处于三向受压的应力状态，从而可以延缓混凝土中纵向的微小裂缝的产生和发展，达到提高结构的抗压能力和变形能力的目的；而另一方面由于内填混凝土对钢管壁具有一定的支撑作用，使钢管壁几何稳定性得到了增强，可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，从而保证其材料性能的充分发挥。[2]

3 数值模拟

3.1 基本假定

在对钢管混凝土在位移荷载作用下的非线性分析之前，本文做如下假定：

①材料假定为各向同性的理想弹塑性材料；②不考虑几何缺陷和残余应力。

3.2 材料非线性

本文采用Drcuker-Prager屈服准则来确定各种材料节点的屈服荷载。

3.3 接触单元的建立

接触是一种对于边界条件高度的状态非线性行为，本文基于钢管与混凝土接触连接，属于装配形式的接触行为，需要建立相应的界面单元来模拟面—面接触。具体流程为：创建模型、划分网格——识别接触对——指定接触面和目标面——定义刚性目标面——定义柔体的基础面并生成接触单元——定义实常数、单元及其KEYOPT等。

在本模型中钢管面定义为Target170目标单元,混凝土面定义为Contact174接触单元,摩擦系数(MU)为0.5。通过接触对的建立,钢管与混凝土两种材料之间的摩擦接触面可以分离,但不能相互渗透,较真实的反应了两者间的相互作用。[3]

4 模型建立

有限元模型是对实际结构的数学表达，钢管混凝土的有限元模型如图2所示。模型的建立大致分为几何建模、单元网格划分、材料属性定义、荷载和边界条件的定义、接触条件定义、分析参数的定义及求解分析结果等。

为了详尽的分析钢管混凝土的受力性能，钢管和混凝土用不同的单元模拟。其中钢管用solid45单元模拟，材料属性采用双线性随动强化模型（bkin）来确定；混凝土用solid65单元模拟，材料属性采用多线性等向强化模型（miso）来确定；模型的网格划分采用体映射网格划分[4]的方式，使单元形状规则，有助于提高计算机求解的精度和结果的准确性。模型一端固接、另一端自由并施加位移荷载，如图3所示。

5 数值模拟结果

5.1 应力分析

图4～图6给出的是空钢管、混凝土以及钢管混凝土中混凝土的纵向应力云图。比较钢管和钢管混凝土的纵向应力云图我们可以发现，钢管的应力范围为297.6MPa～393.9MPa，说明钢管底部已经屈服，但钢管中下部应力范围为329.7MPa～350.1MPa，还未完全屈服。钢管混凝土中混凝土的应力范围为15.3～31.1MPa，由于钢管的套箍作用，混凝土强度相对于单个混凝土柱提高了19%左右（应力均值为23.2MPa）。相对于相同尺寸的混凝土柱，钢管混凝土中混凝土的纵向应力分布更加均匀，避免了局部应力集中的现象。可见钢管的套箍作用有效的约束了核心混凝土的横向变形,使混凝土处于三向受压状态,从而延缓微裂缝的扩展,提高混凝土的塑性,相应提高试件承载能力及变形能力。[5]

5.2 接触分析

为了更加清晰地了解钢管与混凝土之间的接触效应，图7～图9给出了接触面的状态图、压力图和摩擦应力图。根据图中的数据我们可以了解到在一定的位移荷载作用下，钢管与混凝土中大部分是相互紧贴的，只有中下部的部分区域出现了相对滑动，可见中下部的两材料接触面部分出现了分离，钢管对混凝土起到一定的挤压作用；而根据图8～图9我们可以看出中下部的挤压应力和摩擦应力较大，可见两材料间挤压出现位置主要位于中下部，并逐渐沿侧面上下逐渐减少，这为以后相应的受压构件的接触分析提供可靠的软件分析基础。

5.3 屈曲分析

图10、图11分别为空钢管和带有混凝土的钢管混凝土的屈曲分析图，从两图的数据可以看出，单个薄壁钢管的临界屈曲荷载大致为131kN左右[6]，而相应的钢管混凝土的临界屈曲荷载达到了282kN左右，屈曲荷载得到大幅提高。可见混凝土的存在有效的延缓和避免了钢管的内侧局部屈曲[7]，有效地保证了钢管整体的稳定性和材料性能的充分应用，也从侧面提高了钢管混凝土整体的承载能力和塑形能力，

6 结 论

基于ANSYS建立的有限元分析,可得出以下结论:①相对空钢管,钢管混凝土通过钢管的套箍约束,核心混凝土的延性得以改善，强度得以提高，有效地验证了钢管混凝土的基本受力机理；②钢管混凝土结构采用Drcuker-Prager屈服准则建立有限元模型,弥补了无法直观了解其内部微观应力的缺陷,有助于更深一步地认识该构件的受力特点及破坏模式；③模型固结端端部出现应力集中,根据圣维南原理,该现象对于较远处的模型中部影响可以忽略，因此本文采用的边界条件是可行的；④相对空钢管，混凝土有效地缓解了通过钢管内部的局部屈曲,钢管整体稳定性得到增强，进而证明了钢管混凝土承载力高的巨大特点。钢管和混凝土这两种材料组合而成的钢管混凝土新型结构，通过利用两种材料间的相互作用，不仅可以弥补两种材料各自的缺点，而且能够充分发挥二者的优点，这也正是钢管混凝土组合结构的优势所在。

[1]周绪红,王世纪.薄壁构件稳定理论及其应用[M].北京：科学出版社,2009.

[2]韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2000.

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5]彭英义,郑爱国,谭克锋.复式钢管高强混凝土轴压短柱非线性有限元分析[J].西南科技大学学报,2010(4).

[6]韩林海,杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[7]金伟良,张翔,陈驹.薄壁圆钢管混凝土轴压试验研究[J].混凝土,2010(1).