圆钢管混凝土中长柱轴压性能有限元分析★

李　斌　落凯妮　王柯程

(1.内蒙古科技大学土木工程学院，内蒙古 包头　014010；　2.西北设计院，陕西 西安　710065)

0　引言

ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有强健的计算功能和广泛的模拟功能，拥有大量不同种类的单元模型、材料模型和分析过程等。ABAQUS解决问题的范围从相对简单的线性问题到许多复杂的非线性问题，从静态和准静态问题到稳态和动态问题，其计算分析都会得到令人满意的结果[1]。故本文将采用ABAQUS软件对试验试件进行模拟分析。

1　模拟研究对象

本次模拟以试验的14个试件为模拟对象，试验试件参数见表1。实验前进行了材性试验，测得钢管的弹性模量为204 000 MPa，屈服强度403 MPa，极限强度518 MPa，混凝土的弹性模量为30 000 MPa，立方体抗压强度31 N/mm2。

表1　试验试件参数表

2　材料本构模型

2.1　核心混凝土本构模型

有限元分析软件的材料库为混凝土的本构关系提供了多种模型。其中塑性损伤模型应用最为广泛，可以模拟各种结构类型中混凝土并且可以有效分析各种问题，收敛性良好。故本次模拟混凝土本构关系选取塑性损伤模型。具体应力(σ)—应变(ε)关系模型如下：

ε

c

=(1 300+12.5×

f

c

′)×10

-6

;

η

=1.6+1.5/

x

。

2.2　钢材本构模型

常用建筑钢材的应力应变关系曲线一般可分为五个阶段：弹性阶段(oa)、弹塑性阶段(ab)、塑性阶段(bc)、强化阶段(cd)和二次塑流阶段(de)[2]，如图1所示，图1中的fp,fy和fu分别为钢材的比例极限、屈服强度和抗拉强度，钢材屈服时满足Von-Mises屈服准则。本文所用Q235钢材在有限元分析中的本构采用如上所介绍的二次流塑模型，钢材屈服强度fy和弹性模量Es的取值由钢材拉伸试验测得。

上述简化曲线的五个阶段数学表达式为：

B=2Aεe1；C=0.8fy+A(εe)2-Bεe；εe=0.8fy/Es；

εe1=1.5εe;εe2=10εe1;εe3=100εe1。

3　有限元模型

3.1　单元的选取

由于钢管壁厚度远小于钢管高度，所以创建钢管时采用四节点缩减积分格式的壳单元(S4R)，它允许沿厚度方向产生剪切变形，能够模拟出钢管的变形。在壳单元的厚度方向上采用9个积分点的Simpson积分以满足精度要求。采用八节点线性减缩积分的三维实体单元(C3D8R)来模拟核心混凝土和加载版，既满足精度要求，计算时间也不长，单元选取合适。

3.2　接触定义

钢管与混凝土接触面界面行为的模拟由法线方向的接触和切线方向的粘结滑移组成。钢管与混凝土之间接触面的切向力计算采用摩擦模型，摩擦系数取0.3。采用“硬”接触模拟钢管与核心混凝土以及端板与核心混凝土之间的法向接触行为。定义钢与混凝土之间接触对时，由于钢材的刚度要大于混凝土，因此选择钢材为主表面，混凝土选为从表面。

3.3　边界条件

试验试件两端均为铰接的边界条件，故模型端部作为加载端，对其约束X和Y两个方向的位移，允许位移在荷载作用下沿Z方向发展。有限元计算模型如图2所示。

3.4　网格划分

4　有限元计算结果

有限元模拟得到的圆钢管混凝土中长柱最终破坏形态均为整体屈曲失稳破坏，与试验结果吻合。图4为典型试件的有限元模型破坏形态图。

4.1　有限元模拟应力云图

由图5可知，核心混凝土和圆钢管的最大应力均发生在柱中部位置的挠曲线平面处，钢管的最大应力超过了其极限强度，混凝土的最大应力没有超过其实测抗压强度值，这说明试件中段钢管失稳破坏，符合实验结果。

4.2　有限元与试验承载力对比

表2　试件有限元与试验承载力对比表

据表2，对圆钢管混凝土中长柱的承载力，ABAQUS有限元计算结果普遍高于实验结果，主要是因为有限元没有考虑初始缺陷，材料处于理想状态。但整体误差在10%以内，属于工程允许范围。这说明本文所用的ABAQUS有限元计算模型及分析方法是可行的。

5　结语

本文利用ABAQUS有限元建立圆钢管混凝土柱模型，通过合理选择单元模型、材料本构关系、边界条件、网格密度等，将有限元计算结果与实验结果对比分析，有限元计算所得的承载力虽然普遍高于试验结果，但偏差均在10%以内，属于允许误差范围，验证了有限元模拟的可行性。试件有限元模拟得到的破坏形态均为整体屈曲失稳破坏，应力最大值出现在试件的跨中受压区，这也与试验结果吻合。因此本文所采用的有限元模拟可靠，可作为其他类似模拟的参考。

参考文献：