矩形钢管混凝土柱抗震性能有限元分析.pdf

1 5 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 平行 的直线上。 1 2混凝土应力一 应变关系模型 在确定矩形钢管混凝 土的核心混凝土应力一 应 变滞回关系骨架曲线时， 采用单向加载时的应力一 应 变关系曲线代替。 受拉区 昆 凝土的应力_ 应变关系按式 ( 1 ) 确定 ： r 1 2 x一0 2 x 。 ( 1 ) i 1 ) 【 其中： S p Y D 式中o r 。 峰值拉应力， 即 。 ： 0 2 6 ( 1 2 5 f o ) 门 占 峰值拉应力时的应变， 即 p=4 3 1 or p ( ) 受压 区混凝土的应力- 应变关系按式( 2 ) 确定 ： r 2 x一 ( 1 ) i赤 1 ) 其 中： 戈= 、80 。： 【 1 + ( 一 0 0 1 3 5 + 0 1 ) ( = + 1 3 3 0 o ( 一 ) ( 。 = 1 3 0 0+1 2 ( ) 7 = 1 6 + 1 5 x = 1 3 5瓜 厂 0 1 1 3 5瓜( 一 2 ) ( 3 0 ) ( 3 0 ) 式中 约束效应系数； 混凝土圆柱体轴心抗压强度。 2 钢管混凝土柱的 A N S Y S分析 2 1 单元选择 本文主要研究钢管混凝土柱的滞回性能， 采用 B e a m 1 8 9单元 。 。B e a m 1 8 9单元可以自定义截面 尺寸和形状， 与此单元相联系的横截面允许使用多 种材料属性， 这样就能够满足使用其来模拟钢管混 凝土。建立 5个与设计试件 相 同的截面存人 A N S Y S 截面库， 以备调用。 2 2 材料属性输入与建模 本文在采用 A N S Y S分 析过程 中， 对混凝 土单 元， 其破坏准则采用 Wi l la m Wa r n k e五参数准则， 5 个参数的确定主要反映在混凝土单元实参数的选取 上， 混凝土单元有 9 个实参数， 计算时输入其中5 个 参数， 其他参数采用默认值 J ， 输入的5个实参数 为： 单轴向抗拉强度 ( ) 、 单轴 向抗压强度 ( ) 、 双 轴抗压强度 = 1 、 静水压力下双轴抗压强度 = 1 4 5 f o和静水压力下单轴抗压强度 =1 7 2 5 f o 。 取张开滑移面的剪切强度缩减系数为 0 5 ， 取闭合 滑移面的剪切强度缩减系数为0 9 。 根据试验设计建立几何模型， 调入新建立的横 截面， 进行网格划分， 完成建模工作。柱子划分完网 格以后的图形如图 2所示 。 图 2 几何建模及单元划分 Fi g 2 Ge o me t r y mo d e l a n d fi n i t e e l e m e n t d i s e r e t i z a t i o n 2 3 计算与结果分析 根据文献 5 有限元计算， 得到矩形钢管混凝 土框架柱顶部荷载一 位移滞 回曲线 ， 分 别如图 3所 示 。 由有 限元模拟计算所得结果可 以看 出， 由于试 验情况和有限元模拟之间在边界条件 、 材料性质等 方面存在诸多不 同， 因此其得 出的结果和试验结果 有一定的出入。主要表现在有限元计算的柱子水平 承载力和刚度均比试验数值大。 有限元计算结果与试验结果及文献 3 ， 8 对比 见表 1 。 可以看出， 通过有限元计算的矩形钢管混凝土 框架柱在低周反复荷载作用下的水平承载力， 整体 高出试验值约 2 0 左右。这主要是由于有限元模 拟时材料、 边界条件等均是理想状态下 ， 不考虑试件 2 0 1 3 N o 1 尹燕霞， 等： 矩形钢管混凝土柱抗震性能有限元分析 1 5 7 曩 柱 柱 位移 mm ( e ) R 2 0 4 0 - 4 图3 各试件的滞回曲线 Fi g 3 Hy s t e r e t i c c u r v e o f s p e c i me n s 初始缺陷的影响。而试验中钢材材料存在缺 陷、 连 接件存在缝隙、 竖向荷载可能出现偏向、 基座与地面 可能产生滑移等诸多 因素都可能影 响试件的性 能， 而这些因素在有限元模拟时是无法考虑到的。 3 结论 1 ) 由有限元模拟计算所得结果可以看出， 矩形 钢管混凝土柱具有良好的耗能能力和抗震性能。 2 ) 通过有 限元模 拟可以得 出试件 的水平 承载 力， 和试验结果基本吻合。但由于试验情况和有限 元模拟之间在边界条件、 材料性质等方面存在诸多 不同， 因此其得出的结果和试验结果有一定的出人。 主要表现在有限元计算的柱子水平承载力和刚度均 比试验数值大。这是因为理论模型较为理想 ， 未考 虑结构的初试缺陷 ， 说 明在今后 的矩形钢管混凝土 柱的制作过程中要严格按照要求制作和施工， 减少 和避免初始缺陷， 能更好地提高结构的延性和耗能 能力 。 3 ) 通过大型通用有限元软件 A N S Y S 8 0 对矩形 钢管混凝土柱进行 了非线性有 限元分析， 经过对结 果的对比与分析， 其计算结果与试验结果吻合得较 好， 具有一定的计算精度， 能够较为准确的模拟结构 的实际受力性能， 为结构的设计提供了有效的分析 方法 。 参 考 文 献 ： 1 赵同峰， 王连广， 安山河 方钢管钢骨高强混凝土轴压柱有限 元分析 J 东北大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ( 7 ) ： 1 0 4 1 1 0 4 3 2 尹艳霞， 马云良 矩形钢管混凝土柱抗震性能试验研究 J 四 川建筑科学研究， 2 0 1 2 ， 3 8 ( 6 ) 3 韩林海 钢管混凝土结构理论与实践 M 北京： 科学出 版社 ， 2 0 0 4 4 腾智明， 邹离湘 反复荷载下钢管混凝土构件的非线性有限元 分析 J 土木工程学报 ， 1 9 9 6 ( 2 ) ： 1 9 - 2 6 5 Z h u M c ， Wa n g Q X ， F ang X F B e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f s q u a r e s t e e l t u b e c o l u mns fil l e d wi t h s t e e l -rei n f o med s e l f - c o mp a c t i n g h i s h - s t r e n g t h c o n c re t e c 1 s t I n t e r n a t io n a l S y m p o s i u m o n D e s i g n ， Pe rfo r ma n c e a n d Us e o f S e l f - Co n s o l i d a t i n g C o n c ret e Ch a n g s h a， 2 0 0 5： 1 6 7 1 7 3 6 李宽 有限元素法基础 M 山东： 石油大学出版社， 1 9 9 6 7 游经团 矩形钢管混凝土压弯构件滞 回性能研究 D 福州： 福州大学 ， 2 0 0 2 8 C E C S 1 5 9 ： 2 0 0 4矩形钢管混凝土结构技术规程 S