基于ABAQUS的木材填充钢管混凝土组合短柱轴压性能分析

马晨洋 翁维素 裴 斐 王 凯 甄明灿

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

现如今钢管混凝土结构在世界各国的工程实践中得到了广泛的应用.混凝土抗压强度高但抗弯强度较弱.钢材具有自重轻、抗震效果好等优势，但钢管受压时容易发生屈曲而导致无法发挥其最大承载力.钢管混凝土结构能够将二者的优势结合在一起，钢管的存在可使混凝土在处于侧向受压状态时，使其承载能力进一步提高.同时混凝土可以防止钢管过早的发生屈曲，提高钢管刚度.韩林海[1]、吕西林[2]等学者对钢管混凝土短柱进行了试验研究，研究表明钢管混凝土柱相较于纯钢管和纯混凝土柱，承载力得到了较大的提升.

国内外学者也使用其他材料填充钢管，木材是使用较多的材料之一.木材密度较低，在重量和抗震方面具有其它材料无可比拟的优势.中原，浩之[3]为了减轻结构重量，将钢管混凝土柱中部分灌浆料置换为木材，并对36个截面形式、构件长度不同的钢管-木组合柱进行了轴压试验研究.试验发现，内填木材尺寸越大，构件峰值荷载越低，并且用组合柱各要素承载力累加的方法所得的预估承载力比实际值高.Amin Nabati[4]对在轴压荷载下内填木材的CFRP-钢管混凝土柱进行试验研究，研究表明木材与CFRP一起使用，显著的减轻了构件的重量，又增加了轴向延性，CFRP也在一定程度上补救了由木材填充而减小的承载力.Tohid Ghanbari Ghazijahani[5-7]对内填木材形状、CFRP层数不同的钢管-木组合柱进行了试验研究,发现木材内填可以防止钢管局部向内屈曲，外缠CFRP可以防止钢管局部向外屈曲，保证钢管不会过早发生屈曲破坏从而提高了构件的承载力，并在一定程度上减轻了构件的重量，结果表明外缠CFRP内填木材的构件相较于纯钢管强度增加了75%，而重量仅仅增加44%，强度增益明显超过增重.

综上，国内外学者对木材填充钢管混凝土组合短柱的有限元分析研究尚少.本文运用ABAQUS对方形、圆形截面的木材填充钢管混凝土组合短柱轴心受压时的力学性能进行分析，为类似木材填充钢管混凝土组合短柱的研究提供借鉴.

1 有限元计算模型

由于文献[3]只给出部分曲线，本文针对文献中部分试件建立有限元分析模型，试件尺寸及材料属性等具体参数见表1.

表1 试件主要参数

1.1 材料本构关系模型

钢管采用理想弹塑性模型，在应力达到屈服应力以前完全服从Hooke定律，即弹性阶段应力与应变呈线性关系.屈服以后应力值不增加，应变值无限增加.钢管弹性阶段泊松比取0.25，弹性模量取208kN/mm2.

木材作为生物材料，试验结果离散性大，且受含水率、蠕变现象影响，很难测定其本构关系.为了更合理、准确地考虑这些因素影响，本文采用姜绍飞[8]提出的适用于ABAQUS有限元程序的木材应力-应变关系模型.弹性定义采用ABAQUS软件中工程常数法设置，塑性定义采用各向同性设置.木材E1方向弹性模量取7kN/mm2.

混凝土是常用的建筑材料之一，根据受力条件分多种本构模型.作为木材填充钢管混凝土组合短柱中承重、传力的主要材料，本次采用韩林海[9]提出的钢管混凝土中核心混凝土的应力-应变关系建立混凝土本构模型，模型的数学表达式为：

(1)

式中：

σ0=fc；ε0=εc+800·ξ0.2·10-6;

εc=(1300+12.5·fc)·10-6;

混凝土弹性阶段泊松比取0.2，采用ABAQUS有限元分析软件中的混凝土损伤塑性模型，取膨胀角为30°，取偏心率为0.1，取双轴等压时强度与单轴强度之比为1.16，取拉、压子午线上第二应力不变量比值为0.667，取粘性参数为0.0015.

1.2 相互作用与边界条件

钢管与混凝土、混凝土与木材之间的约束分为法向行为与切向行为.法向行为采用“硬接触”定义，切向行为采用“罚接触”定义，摩擦系数取0.6.为方便荷载的施加，在柱两端各设置一个参考点，参考点与柱端各材料截面采用ABAQUS中刚体项进行约束.

在对组合柱进行轴压作用下模拟时，将柱底参考点的边界条件定义为完全固定，柱顶参考点的边界条件定义为U1=U2=0,U3方向施加位移.

1.3 单元类型与网格划分

本课题钢管采用ABAQUS有限元分析软件中四节点减缩积分格式的壳单元(S4R)，在壳单元厚度方向，采用9个积分点的Simpson积分，足以满足计算要求精度.木材与混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R).通过多次试验确定了合理的网格密度.图1为木材填充钢管混凝土组合短柱的有限元模型.

(a)方形截面

(b)圆形截面图1 木材填充钢管混凝土组合短柱的有限元模型

2 有限元模型验证

为了验证本文建立的木材填充钢管混凝土组合短柱有限元模型是否正确，作者根据文献[3]的实验数据分别对圆截面和方截面木材填充钢管混凝土组合短柱进行了模拟计算，将有限元计算结果与文献试验结果进行比较.

2.1 破环形态

采用ABAQUS有限元模拟得到的破坏形态与试验破坏形态比较见图2，二者均为柱中鼓起屈曲破坏，由于木材断裂混凝土压碎，导致钢管随位移增大向外屈曲，二者破坏形态基本相符.

(a)试验 (b)有限元分析图2 试件S3-31的破坏形态对比

2.2 荷载-位移曲线

试件有限元计算结果与试验结果峰值荷载对比见表2.图3为有限元计算得到的方截面和圆截面木材填充钢管混凝土组合短柱的荷载-位移曲线与试验结果的对比，结果表明：在弹性阶段，荷载-位移曲线基本为线性变化，有限元分析结果与试验曲线吻合较好；达到峰值荷载后，进入弹塑性阶段，随位移增长柱中出现明显的局部屈曲，变形增加迅速，木材裂缝延伸，承载力下降.由于木材材料性能受裂缝、木节影响严重，实验曲线不平滑，结果离散型较高，所以在试件进入弹塑性阶段后有限元分析与实验曲线吻合相对较差.

(a)试件S3 (b)试件C3图3 荷载-位移曲线对比图

表2 峰值荷载对比

由上可见，有限元计算结果所得到的峰值荷载、峰值位移与试验结果基本一致，利用上述模型和方法分析木材填充钢管混凝土组合短柱的轴压性能是可行的.

3 参数分析

本文利用建立的有限元模型对木材填充钢管混凝土组合短柱进行了参数分析，以文献[3]中的S3-31(具体参数见表1)为研究对象，在保持其他参数不变的情况下，给出试件在不同木材尺寸、钢管壁厚、混凝土强度、钢材强度下的荷载-位移曲线，模拟试件参数及峰值荷载详情见表3.

表3 模拟试件参数及峰值荷载详情

3.1 荷载-位移曲线

通过ABAQUS有限元软件对各模拟试件进行计算，得到不同参数下试件的荷载-位移曲线，如图4所示.由图可知：

(a)钢管壁厚 (b)木材尺寸

(c)混凝土强度 (d)钢材强度图4 不同参数试件荷载-位移曲线

(1)钢管壁厚的增加，首先使得钢管不易发生屈曲，其次钢管对混凝土与木材的约束能力增强，所以试件弹性阶段的刚度提高，峰值荷载和剩余承载力也显著提高.

(2)木材尺寸增加，试件在弹性阶段与弹塑性阶段的刚度降低.因为抗压强度较低的木材替换部分混凝土，使得峰值荷载降低.随着位移的增加，木材尺寸大的试件承载力下降量较多.

(3)混凝土强度越高，试件的刚度越大，峰值荷载越高.峰值后承载力下降量越多，对剩余承载力提升较小，说明混凝土强度的变化对剩余承载力影响较小，这主要是因为混凝土被压碎后退出工作，荷载主要是由钢管和木材来承担，所以混凝土强度对剩余承载力的影响不明显.

(4)钢材强度的变化对构件的刚度影响不明显，但是钢材强度提高，构件的峰值荷载和剩余承载力也随之提高.峰值后承载力下降量基本相同，说明钢材强度是影响构件的剩余承载力的主要因素.

3.2 强重比

本文引入了强重比[10]的概念来研究木材填充钢管混凝土组合短柱的结构效率，其定义为木材填充钢管混凝土组合短柱的峰值荷载与重量的比值.强重比越大，意味着单位重量下承受荷载越高，结构效率越好.试件的强重比如表4所示.

表4 不同试件的强重比

由表4可知钢管壁厚、木材尺寸、混凝土强度和钢材强度均影响构件的结构效率.(1)壁厚7mm的构件相较于标准件S3-31，峰值荷载提高1.36倍，重量仅增加1.27倍.由此可知钢管壁厚增加，会一定程度上增加构件的重量，但是壁厚增加，约束能力也相应提高，从而提高了构件的承载力，因此强重比提升较明显，说明钢管壁厚增加会提高构件的结构效率；(2)采用木材尺寸70mm的试件与标准件对比，峰值荷载下降了25%，重量下降了28%，这是因为木材抗压强度较低，随着木材尺寸的增加，导致峰值荷载下降，但由于木材本身在抗压方面就是高强轻质的材料，所以即使峰值荷载下降，也依旧提高了强重比，说明采用木材填充钢管混凝土构件，可以提高钢管混凝土结构效率；(3)C25混凝土构件相较于标准件，重量降低不明显，但峰值荷载仅为标准件S3-31的0.71倍，说明采用低强度混凝土，会严重降低试件结构效率，并且由图5(a)可知，混凝土强度与构件强重比二者线性相关；(4)采用Q420钢材的构件在重量相同情况下峰值荷载较标准件提高1.1倍，说明随着钢材强度的提升，构件结构效率提升较明显，这主要是因为各强度钢材密度相差不多，所以提高钢材强度，构件峰值荷载提高，同时构件重量基本保持不变.构件强重比与钢材强度二者线性相关，如图5(b)所示.

(a)混凝土强度拟合 (b)钢材强度拟合图5 构件强重比与混凝强度、钢材强度线性拟合

4 结 论

(1)通过ABAQUS有限元软件，建立了木材填充钢管混凝土组合短柱有限元计算模型，通过与试验结果对比，其破坏形态、荷载-位移曲线吻合较好，表明本文模型和方法可以用于木材填充钢管混凝土组合短柱轴压力学性能研究.

(2)增加钢管壁厚和提高材料强度可以提高对短柱中木材和混凝土的约束，进而提高构件的峰值荷载；钢管混凝土短柱中填充木材尺寸越大，构件峰值荷载越小；提高混凝土强度，构件峰值荷载越大.四种参数均对剩余承载力有影响，其中钢材强度是影响构件的剩余承载力的主要因素.

(3)提高钢管壁厚、材料强度、木材尺寸可以提高试件的强重比，且试件强重比与材料强度存在线性关系.

(4)钢材壁厚增加和强度提高能明显提高构件的结构效率；木材填充钢管混凝土短柱会降低构件峰值荷载，但会一定程度提高构件结构效率；在试件设计强度相同情况下，采用低强度混凝土制作的试件结构效率最低.