方钢管高强混凝土短柱有限元分析

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学兔兔www.xuetutu.com36江苏建筑2011年第6期(总第145期)方钢管高强混凝土短柱有限元分析郎美．杨志坚(宿迁学院建筑工程系。江苏宿迁223800；天津大学建筑工程学院，天津300072)[摘要】文章基于冷弯型方钢管高强混凝土短柱试件的轴心受压试验，采用ABAQUS通用有限元分析软件对试件的轴压工况进行数值计算。采用舍理的材料本构方程、建模与网格划分方法，使有限元计算结果与试验结果吻合较好O分析了在荷载一应变典型曲线特征点时轴压短柱试件的核心混凝土横截面轴向应力分布和试件在各阶段的受力性能。得到如下结论：钢管的冷弯区域决定了核心混凝土横截面轴向应变的分布；轴压短柱达到极限承栽力时，核心混凝土由于方钢管的约束作用，其抗压强度得到明显提高：文章采用的有限元模型在分析冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱时是可行的。f关键词1冷弯方钢管；核心混凝土；高强；有限元【中图分类号]TU392．1『文献标识码1A『文章编号]1005—6270(2011)06—0036一o3FiniteElementAnalysisofHighStrengthCFSSTStubColumnsLANGYahYANGZhi-jian(1．DepartmentofBuildingEngineering，SuqianCollege，SuqianJiangsu223800China；2．SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072China)Abstract：Basedonpreviousresearchontheexperimentalstudyofhighstrengthconcrete-filledsquarecold-formedsteeltubular(CFSST)stubcolumns，afiniteelementsoftwareABAQUSwasemployedtoanalyzethemechanicalbehaviorsofthestubcolumnunderaxialcompressiveload．Theresultsobtainedfromthefiniteel—ementanalysiswereverifiedagainstexperimentalresultswithreasonableconstitutiveequations，finiteelementmodelingandmeshing．Thispaperdiscussedmechanicalcharacteristicsduringthetestwithfiniteelementmethodresults．Someconclusionsweredrawnasfollows：Theareaofcold-formedsquaretubedeterminedthedistributionofaxialstrainonthemiddlecrOSS—sectionofcoreconcrete．Becauseofconfinementeffectofsquaretube，compressivestrengthofcoreconcretewas．enhanced．Theelementanalysismodelingusedinthepaperwaspracticableinsimulatinghighstrengthconcrete-filledsquarecold-formedsteeltubularstubcolumns．Keywords：cold-formedsquaresteeltube；coreconcrete；highstrength；finiteelementmethodO前言的受力特点，对于钢管混凝土的受压机理不能充分认识。因由于钢管混凝土组合结构的快速发展．对其力学性能此，本文采用ABAQUS有限元计算软件，对试验的工况进的研究也得到越来越多的重视。传统的试验研究由于经费行模拟．以期更深入地探究冷弯型方钢管高强混凝土轴压庞大、周期长等缺点．使得有限元计算方法被越来越多的研短柱试件的力学性能。究人员应用【。对于钢管混凝土的力学性能的研究，国内外1有限元计算诸多学者做了大量的试验『3l41。经过研究发现，由于钢管的套1．1材料本构模型箍约束作用，使得核心混凝土处于三向受压状态。进而提高1．1．1钢材本构模型核心混凝土的抗压强度。因此，钢管混凝土的极限承载力，冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱试件的钢管采用冷往往高于钢管与核心混凝土各自承载力的简单叠加。为了弯型方钢管．考虑到冷弯型方钢管角部区域和平板区域的更加高效地提高钢管混凝土的极限承载力．核心混凝土采力学性能有所不同，本文将冷弯型方钢管分割为两部分区用高强等级，充分利用方钢管抗拉与混凝土抗压的材料特【收稿日~12011—07．25性。本文基于对冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱的试验【作者简介】郎龚，~(1985-)，宿迁学院建筑工程系，硕士，助教，现主研究[51．又考虑到试验研究不能充分深入地了解核心混凝土要从事组合结构方面的研究。 学兔兔www.xuetutu.com江苏建筑2011年第6期(总第145期)37口J；-_厂Ⅵ．．11m(a)钢材应力I与应变忙)关系曲线Ibl冷弯方钢管平板区域与角部区域划分图1冷弯型方钢管本构模型域：角部区域和平板区域【引，如图1所示。其中方钢管的平板【a]l端板(b)核心混凝十区域力学性能采用Abdel—Rahaman和Sivakumarant61给出的公式来描述，如公式(1)所示。Es￡(￡≤￡。)+l(￡一￡。)土下(￡≤￡≤￡1)一丁●●●三+2(8_-1)(81≤8≤￡2)、+Es3(￡～2)(82≤8)其中￡=0_75fiE。，8l一+o．12／El，￡2一1+0．125f／EL=o．7=0．87。方钢管的角部区域力学性能仍然采用公式(1)来表述，但是其中钢材的屈服强度由Karren和Winterr~与Abdel—《c)钢篱(d)模型Rahman和SivakumaranI63提出的公式(2)来计算，其他参数图2有限元计算模型(1／8模型1如相应由-替代。模型。由于本试验为一次静力加载，而材料损伤对往复加载曰=[0．6——+0-4】『；比较大的影响．因此本文在对模型进行计算时不考虑拉压(r／t1应力损伤。图2(c)是冷弯型方钢管，采用实体单元建模。由其中B。=3．69)一O．819)-1．79，m=0．192)一于冷弯型方钢管的角部区域钢材在冷弯过程中发生塑性变O．068是钢材极限抗拉强度。形，其材料力学性能不同于平板区域钢材．因此本文按照图1．1．2混凝土本构模型1fb)所示将冷弯型钢管分割成平板区域和角部区域，并赋予轴压工况下的冷弯型方钢管高强混凝土，其核心混凝不同的材料属性。土处于三向受压状态。因此，有限元计算模型中混凝土的本在模型组装过程中．端板与钢管顶面的接触关系为绑构关系采用文献【8】中提到的公式(3)表达。定约束，限制各自的节点自由度，不允许相对水平位移与转≤1)动：端板与核心混凝土顶面的接触关系为硬接触．这样可以1—壬Ip1)()传递法向应力，但不考虑摩擦力传递：核心混凝土侧面与方。一1)’慨钢管壁内壁的接触关系为硬接触，既考虑法向接触，也考虑其中云，y，盯。cc是混凝土圆柱体抗压强度，摩擦力的传递。所有实体单元的网格划分均采用六面体划分技术。采用公式f一8计算)，￡0=￡+800·‘·l0，s=(1300+1．3计算结果分析图3给出了采用有限元计算方法计算出的冷弯型方钢12．5)·1。，11=1．6+1．5，p。管高强混凝土短柱试件轴压荷载一轴向平均应变关系曲线．1．2模型建立文献【5】给出了冷弯型方钢管高强混凝土短柱轴压荷载(N)冷弯型方钢管高强混凝土短柱试件的工况模拟采用一轴向压缩变形量(△)关系曲线，通过处理，本文将其转化为ABAQUS有限元计算软件，其模型主要由3个部分组装而轴压荷载(N)一轴向平均应变(￡)关系曲线。从图3中可以看成：端板、核心混凝土和钢管。基于轴压试件模型的对称性．出有限元计算的轴压荷载(N)一轴向平均应变(8)关系曲线与本文建立1／8模型进行计算，以节约计算成本，如图2。试验曲线吻合得很好。表明利用文献【3】和文献【8]给出的材图2(a)所示为试件模型的端板，单元类型为实体单元，料本构，结合本文所述的建模方法可以很好地模拟冷弯型弹性模量为无限大。图2(b)所示为试件模型的核心混凝土，方钢管高强混凝土轴压短柱的力学行为．说明本文采用的单元类型为实体单元，材料本构关系采用混凝土塑性损伤建模方法是可行的。 学兔兔www.xuetutu.com38江苏建筑2011年第6期(总第145期)蜀囊f’r图5冷弯型方钢管高强混凝土核心混凝土轴向应力分布图远近决定着核心混凝土抗压强度提高多少。平板区域附近的混凝土抗压强度变化不大．这说明冷弯区域决定着冷弯型方钢管高强混凝土的力学性能。从图5(c)中可以看出，随着轴压短柱试件承载力的下降．核心混凝土开始内力重分布。靠近冷弯区域附近的核心混凝土抗压强度较B点有一图3冷弯型方钢管高强混凝土短柱轴压荷载(N)一轴向定程度的下降。平均应变(￡)有限元计算曲线与试验曲线对比2结论图4给出了冷弯型方钢管高强混凝土短柱轴压荷载一(1)冷弯区域决定着核心混凝土轴向应变的分布，但是轴向应变关系典型曲线。并且将该典型曲线划分为4个阶冷弯区域的大小对冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱力学段：弹性阶O(OA)、弹塑性阶段(AB)、下降阶段(BC)、平缓阶性能的具体影响还有待进一步研究。段(CD)。在弹性阶段，钢管和核心混凝土均为单独受力，相(2)本文所采用的材料本构方程和建模方法可以很好地互之间基本没有相互作用(钢管壁与混凝土的法向作用)；用于冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱的有限元计算。进人弹塑性阶段。由于核心混凝土横向变形系数迅速变化，f3)在极限承载力附近，由于冷弯型方钢管的套箍约束钢材对核心混凝土的套箍约束作用增强．核心混凝土处于作用，高强混凝土的抗压强度得到提高，特别是在方钢管冷三向受压状态，其强度得到较大提高；下降阶段，由于方钢弯区域附近，高强混凝土的抗压强度提高更为明显。管壁局部屈曲失稳，导致核心混凝土失去钢管的约束作用．参考文献核心混凝土抗压强度开始下降。进入平缓阶段，短柱试件承[1】Hsuan-TheHu，“NonlinearAnalysisofAxiallyLoaded载力在较大的纵向变形范围内保持稳定不变。此4个阶段Concrete”，JoumalofStructuralEngineering，ASCE，2003，的力学行为在本文的有限元计算过程中得到证实。Vo1．129，No．10，PP．1322-1328：[2]韩林海．钢管混凝土结构一理论与实践[M】．2版．北京：IIⅣ_科学出版社．2007．‘n[3】SchneiderSP．AxiallyLoadedConcrete-filledSteel0．6N~。nTubes【J】．JournalofStructuralEngineering，ASCE，1998，124(1o)：1125—1138．『41HanLH．TestsonStubColumnsofConcrete—filledRHSSections[J]．JournalofConstructionalSteelResearch，2002，58圈4轴压荷载(N)～轴向平均应变(s)典型关系曲线示意图【，】(3)：353—372．【5]郎龚，杨志坚，等．方钢管高强混凝土短柱轴压试验研文献【5】在对冷弯型方钢管高强混凝土短柱进行轴压究[J]．低温建筑技术，2011．试验的基础上，得出了轴压荷载一轴向应变关系典型曲线。并标注了将曲线划分为4个阶段的3个特征点，本文在结【6】Abdel-RabmanN．SivakumamnKS．Materialpropertiesmodelsforanalysisofcold—formedsteelmembers[J1．Journal合该典型曲线分析的基础上，采用有限元方法计算出了短柱试件处于3个特征值点时核心混凝土轴向应力分布图。ofStructuralEngineering，1997，123(9)：113-1143．从图5(a1中可以看出，核心混凝土轴向应变未超过其轴向[7】KarrenKWWinterG．Effectsofcold-formingonlight—抗压强度，核心混凝土还处于弹性阶段。从图5fb)中可以看gaugesteelmembers[J]．JournaloftheStructuralDivision．AS-出，轴压短柱试件达到极限承载力附近时，核心混凝土在冷CE．1967．93(1)：433-469．．【8】刘威．钢管混凝土局部受压时的工作机理研究【D】．福弯型方钢管的套箍约柬作用下，处于三向受压状态，其抗压州：福州大学，20o5．强度得到提高．特别是在方钢管冷弯区域附近的核心混凝土，其抗压强度提高更为明显，这种趋势随着距离冷弯区域