轴向冲击荷载作用下 T形截面钢管混凝土短柱力学性能模拟

李 召，别雪梦，刘向东，杜国锋

（长江大学　a.城市建设学院；b.结构工程与防灾研究所，湖北　　荆州 434023）

轴向冲击荷载作用下T形截面钢管混凝土短柱力学性能模拟

李 召，别雪梦，刘向东，杜国锋

（长江大学a.城市建设学院；b.结构工程与防灾研究所，湖北荆州 434023）

为研究T形截面钢管混凝土短柱在动力荷载作用下的力学性能，利用有限元软件ABAQUS对钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的力学性能进行数值模拟，并将数值模拟结果与试验结果进行对比，验证了数值模拟中建模、相关参数和单元选取的正确性。根据此数值模型对T形截面钢管混凝土短柱的力学性能进行模拟，绘制不同强度冲击荷载作用下T形截面钢管混凝土短柱的冲击力时程曲线、位移时程曲线。数值模拟结果表明，T形截面钢管混凝土短柱具有较好的抗冲击性能，最终破坏形态为管壁屈曲破坏。

T形截面钢管混凝土短柱；数值模拟；冲击荷载；力学性能

钢管混凝土具有较高的承载力、良好的塑性和韧性，广泛应用于高层建筑中。目前国内外学者对钢管混凝土结构在准静态荷载作用下的力学性能进行了大量研究，并取得了较多的成果［1-4］。由于实际工程中结构所受荷载较为复杂，除了承受静力荷载之外，还会承受各种形式的动荷载。因此，研究冲击荷载作用下钢管混凝土结构力学性能具有重要意义。国外学者Fujikura等［5］进行钢管混凝土爆炸荷载试验，验证钢管混凝土构件在爆炸荷载作用下具有较高的抗冲击能力；Remennikov等［6］对钢管混凝土试件进行落锤实验，研究表明钢管混凝土构件具有良好的抗冲击能力和耗能能力。国内学者侯川川［7］利用冲击实验机对圆钢管混凝土构件进行横向冲击，并进行有限元模拟，研究影响钢管混凝土构件抗冲击能力的主要参数。然而，对于异形截面钢管混凝土柱在冲击荷载作用下力学性能的研究尚未见报道，利用有限元软件 ABAQUS模拟文献［8］中圆钢管混凝土在冲击荷载作用下的力学性能，通过将试验结果与模拟值对比，验证整个模型的正确性，并根据该模型对T形截面混凝土短柱进行数值模拟，分析T形截面钢管混凝土短柱在不同冲击速度下冲击力时程曲线、位移时程曲线，并最终确定其破坏形式。

1　圆钢管混凝土短柱数值模拟

圆钢管混凝土短柱受到的荷载是由不同高度落下的落锤提供的［8］。为了真实地模拟钢管混凝土在冲击荷载作用下的力学性能，在进行ABAQUS模拟时既考虑混凝土损伤塑性，也要考虑应变率的影响。

1.1损伤模型与本构关系

1.1.1混凝土损伤模型 本文在进行数值模拟时选取的混凝土塑性损伤模型为ABAQUS中自带的混凝土塑性损伤模型，该模型是在Lee等［9］提出的模型基础上发展起来的，主要用于分析混凝土在循环荷载、单向荷载及动态加载作用下的力学性能，描述混凝土在外界荷载作用下由损伤引起的不可恢复的刚度退化。

混凝土受压时主要经历线弹性、弹塑性、强化和软化4个阶段，混凝土的非弹性应变可利用式（1）表示，等效塑性应变可以利用式（2）表示：

ABAQUS中混凝土损伤模型受拉有两个阶段：在失效荷载之前的称为“弹性”阶段，之后称为“软化”阶段，开裂应变可表示为

拉伸等效塑性应变可表示为

混凝土受拉、受压应力-应变公式分别表示为

受拉和受压损伤因子分别表示为

1.1.2混凝土本构关系 混凝土受拉、受压本构关系采用刘威［10］提出的钢管核心混凝土本构关系，其计算公式如下：

受压阶段

受拉阶段

钢管混凝土在冲击荷载作用下，由于应变率的影响，导致抗压强度会有所提高，在考虑应变率对混凝土强度的影响时，采用的计算公式参考文献 ［11］。

受压时动态抗压强度fcd与准静态抗压强度fc之间的关系表示为

受拉时动态抗拉强度ftd和静态抗拉强度ft之间的关系表示为

1.1.3钢材本构关系 钢材应力-应变关系采用5段式，公式为

其中：fp为钢材比例极限；fy为钢材屈服强度；fu为钢材抗拉强度极限；Es为钢材弹性模量；εe= 0.8fy/Es；εe1=1.5εe；εe2=10εe1；εe3=100εe1；A=0.2f/（ε-ε）；B=2Aε；C=0.8f+Aε2ye1ee1ye-Bεe。

钢材在考虑应变率影响时采用的是Cowper-Symonds［12］模型，该模型中钢材动态强度提高系数主要由应变率决定，动态屈服函数为

式中：σdy为钢材的动态屈服强度；σy为钢材准静态屈服强度；D、n为应变率参数，取值于参考文献［12］，D=40.4 s-1、n=5；ε●为钢材动态应变率。

1.2数值模拟过程

1.2.1试验构件参数 数值模拟主要以文献［8］中模型为参考对象，对圆钢管混凝土短柱进行数值模拟，落锤质量为 198.1 kg，其试件具体参数如表1所示。

表1　试件参数Table 1 Experimental specimen parameters

1.2.2建模与计算 整个数值模拟过程是瞬时的动态过程，采用ABAQUS软件中的显示动力学模块ABAQUS/Explicit。为保证模型的真实性，采用的是整体建模方法，底部垫板采用完全固定的方式对构件进行约束。上下两个端板与钢管之间是焊接在一起的，将这两处设置成Tie连接，认为焊缝不发生变形，核心混凝土与钢管壁采用接触定义。在网格划分时，为了节约计算时间，将落锤的网格划分相对稀疏，钢管壁及混凝土的网格划分相对密一些。

1.3数值模拟结果与试验值结果对比

在文献［8］中通过在试件顶部贴应变片及加速度计，测得顶部截面的冲击力和加速度，其试验结果如表2。

利用有限元软件ABAQUS，对文献 ［8］中的试件进行模拟，其模拟数据如表3。

表2　冲击试验结果Table 2 Impact experimental results

表3　数值模拟结果Table 3 Results of numerical simulation

对表2和表3中数据进行分析，并生成曲线图（图1）。分析可知，数值模拟冲击力最大值与实测冲击力最大值相差较小，其最大差值幅度在15%以内。轴向位移随着冲击能量的增加而增加，且数值模拟结果与试验值相似，数值模拟值从冲击高度1 m时的1.2 mm增加到冲击高度8 m时的15 mm，相应的试验值从0.5 mm增加到13 mm。数值模拟冲击力作用时间随冲击能量的增加而增加，其趋势与试验得到的相一致，但数值方面与试验值还有一定差别。

图1　轴向位移与冲击速度关系曲线Fig.1 Axial displacement and impact velocity curve

由数值模拟结果与试验结果的对比，发现采用本文的建模方法、参数选取，能够较为真实地模拟钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的动力特性。

2　T形截面钢管混凝土短柱数值模拟

2.1T形截面模拟试件参数

数值模拟选取的构件为文献［13］中T形截面钢管混凝土短柱，其试件尺寸如图2所示。混凝土强度为C45，采用文献中实测的28 d立方体抗压强度fcu=49.9 MPa，钢材的力学性能见表4。

图2　T形截面钢管混凝土尺寸Fig.2 T-shaped CFST size

表4　钢材力学性能Table 4 Mechanical properties of steel

2.2T形截面钢管混凝土短柱建模

对T形截面钢管混凝土短柱进行冲击荷载数值模拟，混凝土及钢管均采用8节点减缩积分三维实体单元。因本模型中的T形截面是由两个矩形组合起来的，组合时两个矩形钢管混凝土柱之间通过焊接，因此焊接部分在模拟时采用Tie连接，底部垫板采用完全固定的方式对构件进行约束，矩形截面的约束效应与圆形截面的相近，因此，钢材与混凝土的本构关系参照本文第1节内容，其他参数以及单元选取与前述圆钢管混凝土短柱数值模拟相同。此外，为了保证T形截面在冲击时保持轴向加载，模拟时落锤中心正对T形截面的形心，有限元模型如图3所示。

图3　有限元模型Fig.3 Finite element model

2.3T形截面钢管混凝土模拟结果

2.3.1冲击荷载数值模拟结果 选用ABAQUS中显示动力学模块ABAQUS/Explicit对钢管混凝土短柱进行数值模拟，模拟时将质量为480 kg的落锤按照真实的密度、体积进行建模。模拟结果见表5。

2.3.2冲 击力时程曲线 通过分析有限元模拟结果，不同高度下冲击力时程曲线走势基本相同，因此，冲击力时程曲线选择最大冲击力时的冲击力时程曲线（即落锤的下落高度为8 m时），其冲击力时程曲线如图4。

通过观察冲击力时程曲线可以发现，试件在受到落锤冲击后，受到的冲击荷载可以分为3个阶段，分别为冲击力峰值、平稳、下降阶段。

2.3.3位移时程曲线 试件在不同高度冲击荷载作用下轴向变形随时间变化的过程如图5所示。当落锤与试件接触产生冲击力开始，到落锤脱离试件，冲击力变为零。在这个过程中，由于落锤与试件接触时间的不同，产生的冲击力大小不同，试件产生的轴向变形也会不同。

图5　位移时程曲线Fig.5 Displacement-time curve

可以看出，试件轴向变形是随着时间的增加而增大，到达最大值后减小，最后趋于稳定，这是由于落锤在向上反弹时，试件由于卸载产生的变形恢复。同时，对比观察得到，冲击高度越高，试件的轴向变形也越大。而随着冲击能量增大，冲击力最大值存在一定的离散性，且大小相差不多，说明T形截面钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下，通过构件的变形耗散大部分的冲击能量，T形截面钢管混凝土变形性能较好，因而具有较好的抗冲击能力。

2.3.4破坏机理分析 为分析T形钢管混凝土的破坏机理，本文选择了落锤高度为8 m时构件在模拟过程中的应力云图，钢管壁以及对应时刻核心混凝土在冲击过程中的应力应变云图（图6）。

T形截面钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下，对于钢管壁来讲，在t=0.416 ms时，此时落锤刚接触试件，顶部产生一定的局部变形，钢管壁应力最大值也出现在试件的顶部，其他部位应力值很小；t=0.448 ms时，随着冲击能量向下传递，可以明显的观察到钢管壁中应力值向下部传递，但应力最大值依旧在顶部，还在不断增加；t= 0.512 ms时，冲击能量传递到底部，应力最大值出现在顶部及底部，构件变形较小；随着冲击力作用时间的增加，t=1.89 ms时，钢管壁开始出现比较明显的变形，变形较大处其相应的应力值也较大，应力最大值及变形出现在构件上部、中部和下部；t=3.28 ms时，在前面应力最大值处，钢管壁的变形在不断发展；t=4 ms时，钢管壁变形达到最大值，此时应力最大值和变形最大值均出现在构件上部、中部和下部；在4 ms以后，试件开始进入变形恢复阶段，钢管壁变形也得到一定的恢复，最终保留一定的残余变形。对于核心混凝土来讲，在t=0.512 ms之前，核心混凝土内部应力最大值出现位置及传递方式和外部钢管壁相同。但是，从图6中可以观察到核心混凝土中应力最大值及传递速度明显小于钢管壁中的；t=1.89 ms时，此时构件发生较大的变形，核心混凝土由于变形过大进入塑性状态，混凝土应力降低。随着冲击作用时间的增加，变形越来越大，外部钢管壁对核心混凝土约束增加，使核心混凝土处于三向受压状态，其内部应力随时间变化增大，最终，构件由于外部钢管壁的屈曲而发生破坏。

3　结 论

利用有限元软件ABAQUS模拟圆钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下力学性能，并与试验结果进行对比，验证了有限元模型建模、参数及单元选取的正确性。在此基础上，模拟T形截面钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下的力学性能，研究取得以下主要结论：

图6　应力、应变云图Fig.6 Stress and strain clouds

（1）将圆钢管混凝土短柱冲击试验结果与数值模拟结果对比，发现随着冲击能量的增加，不同冲击高度下冲击力最大值具有一定的离散性，而冲击力作用时间及轴向变形随着冲击能量的增加而增大，总体来讲数值模拟结果与试验结果是吻合的。

（2）从位移时程曲线得到，钢管混凝土轴向变形随着时间的增加先增加后减小，最后趋于平稳，T形截面钢管混凝土短柱变形耗散大部分冲击能量，具有良好的抗冲击性能。

（3）分析T形截面钢管混凝土冲击荷载作用下的应力应变云图可以发现，构件的应力是从顶部向底部传递，钢管壁应力传递速度明显快于核心混凝土。同时，对构件的变形分析可以发现，钢管混凝土柱最终的破坏形式是钢管壁发生屈曲破坏。

（4）本文采用的建模方法、参数及单元选取对同类研究具有一定借鉴意义，同时为日后对T形截面钢管混凝土短柱在冲击荷载作用下受力性能模拟和承载力研究提供参考依据。

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Mechanical properties simulation of concrete-filled T-shaped steel tube short column under axial impact load

LI Zhao，BIE Xue-meng，LIU Xiang-dong，DU Guo-feng
（a.School of Urban Construction；b.Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

In order to study the mechanical properties of concrete T-shaped steel tube short column under dynamic loads，using the finite element software ABAQUS，the impact behavior of concrete T-shaped steel tube short column under dynamic load is studied.Compared with the numerical simulation results with the experimental results，the correctness of the model，the parameters and selection of model unit are verified.The impact-time and deformation-time history curves under different impact loads were recorded according to the simulation results.The simulation results show that concrete T-shaped steel tube short column has good impact resistance，and the final failure mode is due to buckling failure.

concrete T-shaped steel tube short column；numerical simulation；impact load；mechanical properties

TU375.3

A

1674-9057（2016）03-0500-07

10.3969/j.issn.1674-9057.2016.03.013

2016-04-20

国家自然科学基金项目（51378077）；湖北省自然科学基金（创新群体）项目（2015CFA029）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目（T201303）

李 召 （1991—），男，硕士研究生，结构工程专业，1048091592@qq.com。

杜国锋，博士，教授，gfd_1125@126.com。

引文格式：李召，别雪梦，刘向东，等.轴向冲击荷载作用下T形截面钢管混凝土短柱力学性能模拟［J］.桂林理工大学学报，2016，36（3）：500-506.