方钢管混凝土组合柱的轴压工况有限元模拟

高峰，吴保伦，朱文怿，范中鑫 （宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

0 前言

方钢管混凝土柱具有较高的抗压承载力，梁柱节点处易于施工等特点，因此在工程中常作为受压构件被广泛使用。丁发兴采用实验和ABAQUS有限元模拟分析相结合的方法，根据极限平衡理论，提出了新的方钢管混凝土短柱实用承载力计算公式。程高、齐浩等基于ABAQUS软件采用S4四节点完全积分的壳体单元模拟钢管，采用C3D8八节点线性六面体单元模拟混凝土，建立了方钢管混凝土的完整模型。而卢方伟采用ABAQUS中的20节点减缩积分的六面体二次单元C3D20R建立核心混凝土模型，钢管模型采用8节点三维非协调单元C3D8I，建立了八分之一柱体模型，研究钢材与混凝土接触面的压力与荷载的关系。三者建模中的混凝土材料的本构模型皆采用ABAQUS软件中的塑性损伤模型。李海峰采用有限元分析软件ABAQUS建立了9根方钢管混凝土柱的有限元分析模型，混凝土采用损伤塑性模型和实体单元C3D8R，钢板采用壳单元S4R，综合分析不同轴压比、钢板强度、混凝土强度对方钢管混凝土柱轴压性能的影响，得出提高混凝土强度等级可以有效提高柱的承载力这一结论。曹君尧通过有限元软件ABAQUS采用实体建模，用8节点线性减缩积分格式的六面体单元C3D8R，对模拟的12个不锈钢方钢管混凝土轴压短柱进行变形能力、承载能力数值的对比分析，提出了不锈钢方钢管混凝土轴压短柱承载力的建议公式。李帼昌采用ABAQUS有限元软件对内置CFRP工字形型材的方钢管混凝土偏压短柱进行模拟，建立4个部分有限元单元。两端盖板、钢管以及核心混凝土均选用8节点缩减积分的三维实体单元（C3D8R）。采用结构化网格划分技术，将两端盖板视为弹性体，CFRP型材选用4节点缩减积分壳单元（S4R）。从而探究偏心率、含钢量、钢材强度和混凝土强度对构件受力性能的影响规律。卜永红基于外端板加强式钢管混凝土柱—钢梁焊接节点抗震性能试验结果，运用ABAQUS有限元模拟对其抗震性能进行有限元分析，运用3D实体单元C3D8R创建结点三维模型，用属性功能模块进行本构定义，创建有限元模型，并与试验结果进行对比，验证了有限元分析参数选取、模型建立及加载计算合理。当前诸多学者有关钢管混凝土柱，有限元分析的流程，主要采用实体单元C3D8R、壳体单元S4R，建立方钢管混凝土实体模型。本文基于诸多学者的实践成果，对比分析两种方钢管混凝土主流建模方式，以求探索和简化有限元分析的建模方式。

1 有限元建模方法

1.1 实体、对称建模、模型建立

方钢管混凝土有限元分析模型分为三个部分：方钢管、核心混凝土及两端盖板，方钢管混凝土构件实体模型尺寸见表1所示。其中：b为截面宽度；h为截面高度；d为钢管壁厚度；H为构件高度；单位为mm。方钢管采用4节点缩减积分格式的壳体单元（S4R），沿壳体单元的厚度方向采用9个节点的Simpson积分，核心混凝土采用8节点减缩积分格式的三维实体单元（C3D8R）。

构件建模分类表 表1

1.2 实体、对称、壳体建模、创建部件

实体、对称建模在Module列表中选择Part功能模块。分别创建1/4盖板模型cap，1/4方钢管模型steel和1/4核心混凝土模型cor。各部件建模分类见表1所示，各部件模型见图1所示。

图1 盖板、方钢管和混凝土模型

图2 创建材料和截面属性流程图

图1 a，b，c分别为1/4盖板、1/4方钢管和1/4混凝土模型。

1.3 创建材料和截面属性

1.3.1 材料属性

为材料赋予截面属性，杨氏模量与泊松比数据见表2所示。

材料属性表 表2

1.3.2 部件装配

接受默认参数Instance Type:Dependent（mesh on part），即类型为非独立实体，点击OK。使用平移和旋转命令，装配方钢管混凝土组合柱。

1.3.3 设置分析步

下面将创建三个分析步。

初始分析步：Initial:默认Procedure type 为 General，和 Static，General，点击Continue。第一个分析步Contact：默认type，设置几何非线性开关Nlgeom 为off。第二个分析步load：步骤和增量步同第一个分析步。

1.3.4 定义接触

①定义接触属性

设置 Pressure-overclosure为Hard contact，allow separation after contact。选择normal behavior。

设置同上。再选择Tangential behavior，选择摩擦函数为Penalty，输入Friction Coeff为0.6。

②定义部件接触

将盖板和整个截面的接触命名为Int-cap1-whole，选择主面为盖板内侧，从面为整个截面，选择small sliding，node to surface，no adjustment，hard contact；盖板2同理。将混凝土与钢管的接触命名为Int-con-steel，选择主面为钢管内表面，从面为外围混凝土外表面，分别选择small sliding，surface to surface，specify tolerance adjustment zone为0.1，hard contact2。

1.3.5 定义边界条件

在对话框中，默认BC-1，step为contact。选择 Displacement/Rotation，选中U1，U2，U3，UR1，UR3并且其后值为0，表示在接触阶段，x，y，z轴方向的位移均为0，绕x，z轴的转动为0，只能绕y轴转动。

1.4 划分网格

将网格尺寸设为15。选择Hex六面体单元，sweep扫略网格，沿扫略路径拉伸，得到三维网格。划分网格后模型如图3、图4所示。

图3 划分网格后的实体对称模型

图4 划分网格后的壳体对称模型

2 运算分析与结果对比

2.1 提交作业

2.2 运算结果对比

提交作业后，点击result，有限元分析结果图如图5、图6所示。

图5 实体对称有限元分析模型

图6 壳体对称有限元分析模型

2.2.1 运算时间对比

在点击提交作业的同时开始计时，并在提示栏出现completed successful字样的同时，点击暂停。实体对称模型运算时间为28.75s，壳体对称模型运算时间为24.73s。

壳体对称建模运算时间比实体对称建模短4.02s，可知运算速度方面，壳体模型更具优势；因此在较为复杂的模型中，可采用壳体建模的方式对部分模型进行简化，缩短运算时间。

2.2.2 荷载时间曲线、荷载-位移曲线对比

图7为实体对称模型和壳体对称模型荷载—时间曲线。由图可知，在相同的荷载与边界条件下，不同的建模方式运算过程中，荷载随时间的变化基本一致，两个模型几乎同时荷载达到最大值。

图7 荷载-时间曲线

图8为荷载—位移曲线，壳体对称模型在位移绝对值1.70mm时荷载达到最大值859.02kN，实体对称模型在位移绝对值1.70mm时达到荷载最大值886.92kN。实体模型与壳体模型峰值荷载相差27.9kN。可知适当用壳体模型替代实体模型，在相同荷载相同边界条件的情况下运算结果相差不大。

图8 荷载-位移曲线

3 结论

①采用壳体建模、实体建模对结果收敛性影响的相差不大，实际可采用这两种方式进行粗略计算。

②采用壳体建模并考虑对称条件，可以减少计算所需时间，计算结果与实际相比存在误差，但在可控范围内。

③适当使用壳体模型替代部分实体模型，不会导致计算不收敛，并且结果与实体模型相差不大。

④相比壳体建模，采用实体建模计算所需量更大，计算所需时间长一点，因此在复杂建模中，可适当采用壳体建模的方式建立部分构件的模型，缩短计算时间。