2019.13科学技术创新-113-基于ABAQUS有限元模拟的异性钢管混凝土 短柱外钢管失效研究
李雪洁彭震郝文佳
（西京学院，陕西西安710123）
摘要：针对基于ABAQUS有限元模拟的异性钢管混凝土短柱外钢管失效进行了论述。
led箱体关键词：有限元模拟；异性钢管混凝土短柱；外钢管失效
中图分类号：0242.1,TU511.3+7文献标识码：A文章编号:2096-4390（2019）13-0113-02
近年来交通运输领域取得了巨大的发展，同时随着人们生活水平的提高，对道路桥梁的建设目标也提出了新的要求，对桥梁跨度的设计要求不仅限于越来越大了，同时还要具有抗震性好，耐久性好，外表美观等要求。
钢管混凝土柱是一种性能优异的轴压构件，因为外部钢管对内部混凝土的泊松比的差异，在受压过程中，限制了混凝土横向变化。由于外部钢管的束缚，外部钢管的束缚力对内部混凝土起到了约束强化作
用，使混凝土处于三向受压状态，因此使内部混凝土的承载能力及抗变形能力得到了明显的提高；不仅力学性能有相较于混凝凝土有了很大的提高，因为钢管在施工中同时可以当作浇筑混凝土的模板和支架，并且试件可以在工厂加工完之后再运到施工现场进行组装，简化了施工过程，为施工节约了人力成本。再已有的研究和实践中表明，在保持承载能力相同的情况下与钢结构相比可以节约大约50%的钢材叫 目前常见的钢管混凝土柱的截面形状大多为圆形和矩形，但是随着人们对承载能力、结构外形以及安装方便的要求，也出现了一些异性结构比如六边形截面，内圆外六角截面和三角形截面等，这些截面可以根据结构设计的需要而灵活选择，有利于结构的布置。因为钢管混凝土是一种新的应用材料在建筑结构中，理论实验研究都还不足够充分的能提供精确的对钢筋混凝凝土柱轴向压缩性能的计算，目前世界范围内有着几种常用的方法，但是都有着一定的局限性叫本文中采用ABAQUS有限元对不同类型的4种截面形式的钢管混凝土结构进行数值模拟，主要是探索偏压状况下，圆形，矩形，六边形和内圆外六角形截面受偏压时的应力分布状态、应变分布、研究荷载-位移关系、和承载力计算方法等。 1究对象和试验方法
1.1参数设定
本文中采用了4种不同截面形状的钢管混凝土短柱模型，见图1。四种不同形状的混凝土柱的截面积均
相同，都是30000mm2；使四种不同截面形式的钢管的截面积也一样相等，含钢率均为10%，以保持钢管混凝土柱的含钢率一致。混凝土的长度均为3d（d为截面直径或截面外接圆直径），具体参数见表lo表1
截半径或边长龌亦
Ann
圆形30000985885
方形300001737349
300001086486
无毒的3000079618 5.5
1.2本构关系模型
钢管和混凝土的本构关系和相应的参数取值取至文献冋
1.2.1钢材本构关系采用五段式二次塑流模型，其本构关系表达式为：
Efi
fs
5=■
f s+C E s(£i~£st)
f u
£i<
5<£i<J
J<£i<£u
£i>£u
式中：6为等效应力,f u=\.5f s为屈服强度；仗为弹性模量迟=2.06x10‘MP q；£,■为等效应变，£y为钢材屈服时所对应的舟变，乞「为钢材处于强化阶段时的应变，£u为钢材达到强度极限时的应变，取％=12弓，5=120^,>1/216，泊松比为0.3。
1.2.2混凝土采用ABAQUS混凝土塑性损伤模型，其本构关系表达式为：
+—l）_r]
1+（4—2）x+
x.
--------------；-------x>1
Qj（x—1）4-X
试中:y=o I f c>X=£/a为应力（MPa）;£为轴心抗压强度，£=0.4£?6为混凝土立方体抗压强度，£为应变乓为峰值压力对应的应变，6=38场严x10«；A，和Bi为上升段参数,A{=9Af~419“=1.6（A—1）2，w为下降段参数,q=0.15。
1.3加载条件
对于模拟中不同形状的试件，均加载在直径或外接圆直径上距中心0.15d（d为截面或截面外接圆的直径），加载方式为15kN/s匀速加载，当轴压荷载值降至极限荷载的50%时停止加载。采用S4R（壳单
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元）网格划分钢管,C3D8R（实体单元）网格划分核心混凝。外包裹钢管与核心混凝土之间的接触设定为：法向接触为硬接触，切向接触为“罚”接触，摩擦系数取0.2。（图1）2试验结果
2.1有限元结果
钢管混凝土柱优异的抗压和抗弯性能主要是因为钢管和混
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合金钢球
(a)圆形
(b)矩形
(c)六边形 (d)八边形
图1
凝土之间叠加的组合效应，外包钢管的约束作用阻止混凝土的 轴向扩张，因此外包钢管的失效节点对于整体钢管混凝土柱的 性能有着较大的影响。图2为4种不同截面的钢管混凝土在相
同偏心率的偏心荷载下的Mises 应力分布图。由如下8张图可 以看出，圆截面钢管混凝土柱和八边形截面钢管混凝土柱在受 到偏心荷载作用时，应力集中发生在纵向切线上，而矩形和六 边形截面的钢管混凝土柱则发生在整个侧面部分，相比之下圆 截面和八边形截面光管混凝土承受荷载的单元明显较少，因而 圆截面和八边形截面钢管混凝土短柱外部钢管在使用过程中
更容易发生应力集中，且更易发生破坏。
(a)圆形(b)矩形 (c)六边形 (d)八边形
(c)六边形
(d)八边形
图2 Mises 应力分布图
ACI 规范给出的钢管混凝土的抗弯刚度表达式为：
(EI\=E s I s +CE c I c
在该式中，E 。是混凝土的弹性模量、E，是刚的弹性模量;I 。
是混凝土的截面惯性矩、I*钢管的截面惯性矩;C 是混凝土截面 刚度折减系数。从式中可以看出，该钢管混凝土组合结构的抗 弯刚度随着钢管和混凝土的截面惯性矩的增大而增大，相同面
可利霉素作用与用途积下圆截面惯性矩相较于其他截面较大，因为圆截面钢管混凝
土抗弯性能更加优良。2.2计算结果
N1SHIYAMA I 等人提出了的三折线模型，主要针对圆截面
钢管混凝土及矩形截面的钢管混凝土，分析其核心混凝土的受 力曲线。对于屈服点有如下表达式：
M = Dt 2(y syp
在该式中，M 为外钢管边缘塑性弯矩承载力;t 为外钢管厚
度；0为外钢管屈服应力
韩林海等人针对六边形钢管纯受弯构件，将受压边缘纵向
应变达到10000“£时的承载力为钢管混凝土的抗弯承载力，在 本文中将采用此定义方法作为控制参数。
3结论
由图可知，在破坏的情况下，圆形柱破坏区域的承载单元最 多，所以，圆柱形柱的抗偏压能力比其他几种多边形要好，所以
在实际工程中，构件承受偏压时，在条件允许的情况下尽量采用 圆柱形构件。
参考文献
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工业建筑,2007⑵.电脑视保屏
[2] 杨有福，韩林海.圆钢管混凝土梁柱极限承载力计算方法探讨 [J].地震工程与工程振动,2004(4).
[3] 韩林海，陶忠，尧国皇，杨有福.钢管混凝土基本构件承载力的
设计计算——各国规程比较(I )[J].建筑钢结构进展,2002⑶.
(a)圆形
(b)
矩形
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