方钢管高强混凝土短柱有限元分析.pdf

3 6 江苏建筑 2 0 1 1 年第 6期( 总第 1 4 5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2 2 3 8 0 0 ； 天津大学建筑工程学院， 天津3 0 0 0 7 2 ) 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 A B A Q U S 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 T U 3 9 2 1 文献标识码1 A 文章编号 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 3 6 一 o 3 F i n i t e El e m e n t An a l y s i s o f Hi g h S t r e n g t h CFS S T S t u b Co l u mn s L A N G Y a h Y AN G Z h i - j i a n ( 1 D e p a r t m e n t o f B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， S u q i a n C o l l e g e ， S u q i a n J i a n g s u 2 2 3 8 0 0 C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n p r e v i o u s r e s e a r c h o n t h e e x p e rime n t a l s t u d y o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e - fi l l e d s q u a r e c o l d - f o r me d s t e e l t u b u l a r ( C F S S T ) s t u b c o l u mn s ，a fi n i t e e l e me n t s o f t w are A B A Q U S w a s e mp l o y e d t o a n a l y z e t h e me c h a n i c al b e h a v i o r s o f t h e s t u b c o l u mn u n d e r a x i a l c o mp r e s s i v e l o a d T h e r e s u l t s o b t a i n e d f r o m t h e fin i t e e l e me n t a n a l y s i s w e r e v e ri fi e d a g a i n s t e x p e rime n t al r e s u l t s wi t h r e a s o n a b l e c o n s t i t u t i v e e q u a t i o n s ， fi n i t e e l e me n t mo d e l i n g a n d me s h i n g T h i s p a p e r d i s c u s s e d me c h a n i c a l c h a r a c t e ris t i c s d u ri n g t h e t e s t w i t h fi n i t e e l e me n t me t h o d r e s u l t s S o me c o n c l u s i o n s we r e d r a w n a s f o l l o ws ：T h e a r e a o f c o l d - f o rm e d s q u a r e t u b e d e t e rm i n e d t h e d i s t r i b u t i o n o f a x i al s t r a i n o n t h e mi d d l e c r O S S s e c t i o n o f c o r e c o n c r e t e B e c a u s e o f c o n fi n e me n t e ff e c t o f s q u a r e t u b e ， c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f c o r e c o n c r e t e w a s e n h a n c e d T h e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l i n g u s e d i n t h e p a p e r w a s p r a c t i c a b l e i n s i mu l a t i n g h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e- fi l l e d s q u a r e c o l d- f o r me d s t e e l t u b u l a r s t u b c o l u mn s Ke y wo r d s ： c o l d - f o r me d s q u a r e s t e e l t u b e ； c o r e c o n c r e t e ； h i g h s t r e n gth ； fi n i t e e l e me n t me t h o d O前 言 由于钢管混凝 土组合结构的快速发展 对其力学 性能 的研 究也得到越来越多的重视 。传统 的试验研究 由于经费 庞大 、 周期长等缺点 使得有限元计算方法被越来越多 的研 究人 员应 用【 。 对 于钢管混凝 土的力学性能 的研究 ， 国内外 诸 多学者做了大量的试验3 l4 1 。 经过研究发现 ， 由于钢管的套 箍约束作 用 ， 使得核心混凝土处 于三向受压状态 。 进而 提高 核心 混凝 土的抗压强度。因此 ， 钢 管混 凝土的极限承载力 ， 往往 高于钢管与核心混凝土各 自承载力 的简单叠 加。为了 更加 高效 地提高钢管混凝土的极限承载力 核心混凝 土采 用高强等级 ，充分利用方钢管抗拉与混凝土抗压 的材 料特 性。本文基于对冷弯型方钢管高强混凝 土轴压短 柱的试验 研 究5 1 又考虑到试验研究不能充分深入地 了解核 心混凝土 的受力特点 ， 对于钢管混凝土 的受压机理不能充分认识 。 因 此 ， 本 文采用 A B A Q U S有 限元计算 软 件 ， 对试 验 的工况进 行模拟 以期更深入 地探 究冷弯型方钢管高强混凝土轴压 短柱试件 的力学性能 。 1 有 限元计算 1 1 材料本构模 型 1 1 1 钢材本构模型 冷弯型方钢管高强混凝 土轴压短柱试件的钢管采用冷 弯型方钢管 考虑 到冷弯型方钢管角部 区域和平板 区域 的 力学性能有所不 同 ，本 文将冷 弯型方钢管分割为两部分 区 【 收稿日 1 2 0 1 1 0 7 2 5 【 作者简介】 郎 龚 ， ( 1 9 8 5 - ) ， 宿 迁 学 院 建 筑 工 程 系 ， 硕 士 ， 助 教 ， 现 主 要 从 事 组 合 结 构 方 面 的 研 究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1年第 6期 ( 总第 1 4 5 期 ) 3 7 口 J ； - _厂 1 1 m ( a )钢材应力I 与应变忙) 关系曲线 I b l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 区域力学性 能采用 A b d e l R a h a m a n和 S i v a k u m a r a n t6 1 给 出的 公式来描述 ， 如公式 ( 1 ) 所示 。 E s ( 。 ) + l ( 一 。 ) ( 1 ) + 2 ( 8 _ - 1 ) ( 8 1 8 2 ) 、 + E s 3 ( 2 ) ( 8 2 8 ) 其中 = 0 _7 5 f i E 。 ， 8 l 一 + o 1 2 E l ， 2 一 1 + 0 1 2 5 f E L = o 7 = 0 8 7 。 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 K a r r e n和 Wi n t e r r 与 A b d e l R a h ma n和 S i v a k u ma r a n I 63 提出 的公 式 ( 2 ) 来计 算 ， 其他参 数 如 相应 由 - 替代 。 曰 = 0 6 + 0 - 4 】 ； ( r t 1 其 中 B 。 = 3 6 9 ) 一 O 8 1 9 ) - 1 7 9 ， m= 0 1 9 2 ) 一 O 0 6 8 是钢材极 限抗 拉强 度。 1 1 2混凝 土本构模型 轴压工况下的冷弯型方钢管高强混凝 土，其核 心混凝 土处于三 向受压状态 。 因此 ， 有限元计算模 型中混凝土的本 构关系采用文献【 8 】 中提到的公式( 3 ) 表达。 1 ) 1 壬 1 ) ( ) I p 。 一 1 ) 慨 其 中 云 ，y ， 盯 。 c c 是 混 凝 土 圆 柱 体 抗 压 强 度 ， 采用 公式f 一 8计算) ， 0 = + 8 0 0 l 0 ， s = ( 1 3 0 0 + 1 2 5 ) 1 。 ， 1 1 = 1 6 + 1 5 ， p 。 1 2 模 型建 立 冷弯 型方 钢管 高强混 凝土 短柱 试件 的工 况模 拟采 用 A B AQ U S有 限元 计算软件 ，其模型主要 由 3个部分组装 而 成 ： 端板 、 核心混凝土和钢管 。 基于轴压试件模型 的对称性 本 文建 立 1 8 模 型进行计算 ， 以节 约计 算成 本 ， 如 图 2 。 图 2 ( a ) 所示 为试件模 型的端板 ， 单元 类型为实 体单元 ， 弹性模 量为无限大。图 2 ( b ) 所示为试件模型的核心混凝土 ， 单元类 型为实体 单元 ，材料本构关系采用混凝土塑性损 伤 【 a l 端板 ( b )核心混凝 十 c )钢篱 ( d )模型 图 2 有限元计算模型( 1 8模型1 模型 。 由于本试验为一次静力加载 ， 而材料损伤对往 复加载 比较大 的影响 因此本文在对模型进行计算时不考虑拉压 应力损伤 。图 2 ( c ) 是冷弯型方钢管 ， 采用实体单元建模 。由 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 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 f b ) 所示将冷弯型钢管分割成平板区域和角部区域 ， 并赋予 不 同的材料属性 。 在模型组装过程中 端板与钢管顶面的接触关系为绑 定约束 ， 限制各 自的节 点 自由度 ， 不允许相对水平位移与转 动 ： 端板与核 心混凝 土顶面的接 触关 系为硬接触 这样可 以 传递法 向应力 ， 但 不考 虑摩擦力传递 ： 核心混凝土侧面与方 钢管壁 内壁的接触关系为硬接触 ， 既考虑 法向接触 ， 也考虑 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 。 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 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 文献【 5 】 给出了冷弯型方钢管高强混凝土短柱轴压荷载( N ) 一 轴向压缩变形量( ) 关 系曲线 ， 通过 处理 ， 本文将其 转化为 轴压荷载( N ) 一 轴 向平均应 变( ) 关系 曲线 。从 图 3中可以看 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 试验曲线吻合得很好。表明利用 文献【 3 】 和文献【 8 给 出的材 料本构 ，结合 本文所述 的建 模方 法可以很 好地 模拟冷弯型 方钢管高强混凝土轴压短柱的力学行为 说明本文采用的 建模 方法是可行的。 丁 土 下 一 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 江苏建筑 2 0 1 1 年第 6期 ( 总第 1 4 5期 ) 图 3 冷弯型方钢管高强混凝土短柱轴压 荷载( N ) 一 轴 向 平均应变( ) 有限元计算 曲线与试验 曲线对 比 图 4给出 了冷弯 型方钢管 高强混凝 土短柱轴 压荷载一 轴 向应变关 系典 型曲线 。并且将该 典型曲线划分为 4个 阶 段 ： 弹性 阶O( O A ) 、 弹 塑性阶段 ( A B ) 、 下降 阶段( B C ) 、 平缓 阶 段( C D ) 。在 弹性阶段 ， 钢管和核心 混凝 土均为单独受力 ， 相 互之间基本没有相互作用( 钢 管壁 与混凝土的法 向作用 ) ； 进人弹塑性 阶段 。 由于核心混凝土横 向变形 系数迅速 变化 ， 钢材对核心混凝 土的套箍 约束 作用增强 核心混凝土处 于 三 向受 压状态 ， 其强度 得到较 大提高 ； 下降 阶段 ， 由于方钢 管壁局部屈 曲失稳 ， 导致核心混凝土失去钢管 的约束作 用 核心混凝土抗压强度开始 下降。 进入平缓 阶段 ， 短柱试件承 载力在较大的纵 向变形范 围内保持稳定 不变。此 4个阶段 的力学行为在本文 的有 限元计算过程 中得到证实 。 _ n 0 6 N I I 。 n 圈 4 轴压荷载( N ) 轴向平均应变( s ) 典型 关系 曲线示意图【 ， 】 文献 【 5 】 在对 冷弯型方 钢管高强 混凝土 短柱进 行轴压 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 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。 从 图 5 ( a 1 中可 以看出 ， 核心 混凝 土轴 向应 变未超 过其 轴 向 抗 压强度 ， 核 心混凝 土还处于弹性阶段 。 从图 5 f b ) 中可 以看 出 ， 轴压短柱试 件达到极限承载力附近时 ， 核 心混凝土在冷 弯型方钢管 的套箍约柬作用下 ， 处于三 向受压状态 ， 其抗压 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 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 定 程度的下降。 2结 论 ( 1 ) 冷 弯区域决定 着核心混凝 土轴 向应 变 的分 布 ， 但 是 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 性 能的具体影响还有待进一步研究 。 ( 2 ) 本文所采用 的材料本构方程和建模方法 可以很好 地 用 于冷弯型方钢管高强混凝土轴压短柱 的有 限元计算 。 f 3 ) 在极 限承载力 附近 ， 由于冷 弯型方钢 管的套箍 约束 作 用 ， 高强混凝 土的抗 压强度得 到提高 ， 特别是在方 钢管冷 弯区域附近 ， 高强 混凝 土的抗压强度提高更为 明显 。 参考文献 1 】 H s u a n - T h e Hu ，“ N o n l i n e a r A n a l y s i s o f A x i a l l y L o a d e d C o n c r e t e ” ， J o u mal o f S t r u c t u r a l En g i n e e ri n g ， AS CE ， 2 0 0 3 ， Vo 1 1 2 9 ， No 1 0 ， P P 1 3 2 2 - 1 3 2 8 ： 2 韩 林海 钢 管混凝 土结构一 理论与 实践 M】 2版 北京 ： 科 学 出版社 2 0 0 7 3 】 S c h n e i d e r S P A x i al l y L o a d e d C o n c r e t e- fi l l e d S t e e l T u b e s 【 J 】 J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ，A S C E ， 1 9 9 8 ， 1 2 4 ( 1 o ) ： 1 1 2 5 1 1 3 8 4 1 Ha n L HT e s t s o n S t u b C o l u mn s o f Co n c r e t e fi l l e d RHS S e c t i o n s J J o u rna l o f C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ， 5 8 ( 3 ) ： 3 5 3 3 7 2 【 5 郎龚 ， 杨志 坚 ， 等 方钢管 高强混凝 土短 柱轴压试 验研 究J 低 温建筑技 术， 2 0 1 1 【 6 】 A b d e l - R a b m a n N S i v a k u m a mn K S Ma t e r i al p r o p e r t i e s m o d e l s f o r a n a l y s i s o f c o l d f o r me d s t e e l m e mb e rs J 1 J o u r n al o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 9 ) ： 1 1 3 - 1 1 4 3 7 】 K a r r e n K W Wi n t e r G E ff e c t s of c o l d - f o r m i n g o n l i g h t g a u g e s t e e l m e m b e r s J J o u rna l of t h e S t r u c t u r a l D i v i s i o n A S - C E 1 9 6 7 9 3( 1 ) ： 4 3 3 - 4 6 9 【 8 】 刘威 钢 管混凝 土局部 受压 时 的工作机 理研 究【 D 】 福 州 ： 福 州大学， 2 0 o 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m