方钢管混凝土柱在轴心受压作用下承载性状的研究

摘要：本文以ABAQUS为平台，通过非线性有限元分析，在轴心受压作用下，从含刚率和混凝土强度2个参考因素来分析方钢管混凝土柱的承载能力。结果表明：随着含刚率的增加，方钢管混凝土柱承载力也随着不断的增加，构件更好的体现出了良好的延性性能；随着混凝土强度的增加，方钢管混凝土承载力也不断增加，体现出了较好的耗能能力。

关键词：ABAQUS轴心受压承载力

Abstract: This paper based on ABAQUS platform, through the nonlinear finite element analysis, under the influence of axial compression, from just ratio and concrete strength 2 reference factors to analyze the bearing capacity of concrete-filled steel tube column. Results show that with the increase of just content, the bearing capacity of square steel tube concrete column also along with the unceasing increase, artifacts that better reflects the good ductility performance; Strength of concrete increase promotes the increase of bearing capacity of concrete filled square steel tubes.

Key words: ABAQUSAxial compressionBearing capacity

中图分类号：TU312文章标识码：A 文章编号：

引言

与圆形截面钢管混凝土结构相比，方形截面钢管混凝土结构构件之间的交贯线在一个平面内，节点形式简单。

造价更低，和钢柱子相比,至少可以节约一半的钢材。

施工操作简便，可节省工期，钢管混凝土柱，组成构件少，焊缝短。

体现更好的抗震性能，方钢管混凝土柱在轴心受压作用下体现出比较好的延性和吸能性。关于其抗震性能投入了很多的研究,发现在轴心受压作用下,其延性系数比较大，也有很强的耗能能力,比钢筋混凝土构件的延性要好。与钢筋混凝土构件相比较,可以大大缩小构件空间,减小结构自重,大大提升了结构的抗震性能。

在弹性工作阶段时钢材泊松比大致为，平均值为，在塑性阶段时泊松比。随着纵向压应力的影响混凝土的泊松比也跟着变化，刚开始时低应力是，随着压应力的逐渐变大，由增至，又增至大于，到达应力达极限状态时，由于纵向开裂，甚至大于。不难看出，方钢管混凝土柱在受到轴心压力N的作用下，开始时，待钢管纵向压力（比例极限）时。因此，继续增大N，钢管应力超过应力极限后，说明此时核心混凝土向外扩张的变形应大于钢管的直径扩张变形，也就是说钢管抑制了混凝土的变形，阻止了核心混凝土地向外扩张。由此就产生了钢管与核心混凝土之间的相互作用力p，这种力就被称为紧箍力，这就使钢管和核心混凝土都处于三向应力状态[1,4]。

1 有限元分析模型的试件汇总

通过指定六组试件，从两个因素来考虑分析影响构件的承载力。分别从含刚率和混凝土强度2个因素来考虑构件的承载能力，见下表

表1方钢管混凝土柱轴心作用下的构件表

表1

从表一中可以看出，本次模型所选用的计算参数：钢管混凝土截面的有效宽度（B）、钢管的厚度（t)、构件的长度（L）、钢材的强度（）、混凝土的轴心抗压强度（)、含刚率α

(1-1)

钢管混凝土柱单肢柱的轴向受压承载力应根据蔡绍怀[5]著《现代钢管混凝土结构》提出的钢管混凝土单肢柱的承载力计算公式

当时，(1-2)

当时， (1-3)

(1-4)

上述式中：———钢管混凝土轴心受压构件承载力设计值

———钢管混凝土的套箍指标

———与混凝土强度等级有关的系数

———与混凝土强度等级有关的套箍指标界限值

2 非线性有限元计算模型

2.1 材料的本构模型

在混凝土结构的有限元计算分析中，混凝土材料的本构关系模型针对钢筋混凝土结构系模型有3种:(1)混凝土弥散裂缝模型;(2)混凝土脆性开裂模型;(3)混凝土损伤塑性模型。本文采用的是混凝土损伤塑性模型[6]，它是非关联多硬化塑性和各向同性损伤弹性相结合。文献[7]在比较以前关研究者采用ABAQUS对钢管混凝土进行有限元分析结果的基础上，修改了素混凝土单轴应力一应变关系曲线的峰值点和下降段，最终提出适用于Abaqus有限元分析的钢管混凝土中核心混凝土单轴应力——应变关系表达

式中： ， ， （1—5）

，（1—6）

钢管采用Abaqus提供的弹塑性模型，屈服准则使用Von Mises屈服准则[6]。其应力应变关系采用多折线模型。

2.2单元的类型及网格的划分

混凝土采用8节点三维减缩积分单元（C3D8R),钢管采用壳单元

（S4R)，在壳单元厚度方向上，采用9个积分点的Simpeon积分

图1

2.3接触面的模拟

钢管和混凝土界面的模拟由切向滑移和法向接触两部分组成：沿接触面切向采用库伦摩擦及小滑移（small sliding),摩擦系数取为0.6；沿接触面的法向采用硬接触（hard contact),接触单元面—面（surface-to-surface)接触，钢壳单元为主面，混凝土单元为从面。

2.4边界条件和加载方式

构件下表面采用完全固定，上表面采用耦合的约束形式，以面荷载的形式施加到顶面上。

3 数值计算结果分析

3.1计算模态分析

下图给出了有限元计算的方钢管混凝土在轴心作用下的破坏模态与空钢管在轴心受压作用下破坏模态的比较。从图中可以看出，由于有了核心混凝土的存在，阻止了钢管在局部发生了褶曲和内凹屈曲，从而保证了钢材性能的充分发挥。从核心混凝土应力云图中不难看出，在混凝土中部区域试件是向外鼓起的，说明在试件中部应力比较集中。而在试件底部的角部还有顶面的端部应力达到最大值。从空钢管的VON.MISES应力云图出可以看出，钢管已经基本上都达到了屈服。

(a)核心混凝土应力云图 (b)钢管VON.MISES云图

图2

表2

3.2 荷载位移曲线分析

图3

从图中可以看出，随着含刚率的增加，构件的承载力也随着明显的增加。当t=4mm时，曲线有比较明显的经历了3个阶段，分别为弹性阶段，塑性阶段，强化阶段。在弹性工作阶段时，构件随着位移的增加，承载力也在慢慢的增大，曲线基本呈直线形状，说明此时混凝土和钢管处于单向受压状态；随着荷载的继续增加，钢管和混凝土的应力继续增加，钢管对核心混凝土的约束也开始变大，此时处于一种塑性发展阶段；钢管的应力已经超过比例极限，此时混凝土的弹性模量大于钢管的弹性模型，说明此时混凝土向外扩张的变形大于钢管的扩张变形，钢管进入一种强化阶段，钢管也会抑制混凝土的向外扩张，所以钢管会发生局部屈曲，核心混凝土也会发生一些破坏，曲线呈现下降的趋势。从总体来讲，随着位移的增加构件的承载力也在增加，当达到了应力峰值时，构件的承载力随着位移的增加慢慢的呈现出下降的趋势。综上所述，随着含刚率的增加，构件的承载力随着位移的增加也慢慢的变大。

图4

从图4中可以看出，构件的承载力随着混凝土的强度增大而增大。曲线先是上升阶段，基本上呈一直线，说明此时处于弹性阶段，钢管和混凝土并没有相互作用，随着荷载的逐渐增大，钢管的应力超过比例极限，构件到达应力峰值阶段，钢管此时已经屈服，钢管的变形要大于混凝土此时的变形，随着荷载的继续增大，混凝土的弹性模量此时大于钢管的弹性模量，混凝土的应力继续变大，已经超过了极限承载力，此时混凝土会被压碎，所以曲线会出现下降。构件的承载力计算公式引用蔡绍怀老是提出的轴向受压承载力计算公式(1—2)、(1—3)、(1—4)，，,，，

所以选择(1—3)公式计算

影响方钢管混凝土承载力作用的因素有很多，为了具体指出每个因素对构件承载力的影响程度，故提出了敏感因素分析，也即正交对比设计，其中含刚率，混凝土强度是影响因素，每个因素又有3个水平，也即需要设计9个试件，各因素及水平值见下表

表3

表4

表4中可以看出含刚率和混凝土的强度的极差R分别是620268，318208，由此可以看出影响方钢管混凝土承载力最大的因素是含刚率，也即是钢管的厚度

4 结论

(1)通过有限元ABAQUS分析，介绍了方钢管混凝土所选用的材料本构模型，接触及相互作用，边界条件及加载模式。不难看出，通过ABAQUS进行有限元分析，可以很好的模拟出方钢管混凝土在轴心受压作用下的承载力的变化情况和构件在受压时的工作机理。

(2)通过设置含刚率、混凝土强度2个因素来考虑分析影响方钢管混凝土承载力，从数据可以看出，构件的承载力随着混凝土的强度增大而增大和随着含刚率的增大也增大，进一步用正交对比分析方法，得出含刚率对构件的承载力的影响程度大于混凝土对构件承载力的影响程度。

参考文献

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