矩形钢管混凝土轴压短柱三维非线性有限元分析.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 7 5 矩形钢管混凝土轴压短柱三维非线性有限元分析 郝艳娥， 兰永强， 吴小强 ( 延安大学建筑工程学院， 陕西 延安7 1 6 0 0 0 ) 摘要： 利用大型有限元结构分析软件 A N S Y S ， 采用三维实体单元对矩形钢管混凝土短柱进行三维建模， 同时考虑 材料非线性和几何非线性， 通过合理的几何建模 、 网格划分和正确的加载方法， 模拟分析了矩形钢管混凝土短柱在 轴压荷载作用下的受力性能， 有限元分析结果与试验吻合较好。说明选取的材料本构关系合适， 有限元分析方法 正确可行 ， 能有效 的指 导和补充试验 。 关键词： 矩形钢管混凝土； 短柱； 轴压 ； 非线性有限元 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 7 5 0 5 3 D no n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y s i s o n s h o r t r e c t a ng u l a r c o n c r e t e - fil l e d s t e e l t u b e c o l u mns u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n HA0 Ya n e ， L AN Yo n g q i a n g， W U Xi a o q i a n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Y a n a n U n i v e r s i t y ， Y a n a n 7 1 6 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s p a p e r ， u s i n g t h e p o we rf u l s t r u c t u r e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e AN S YS， t h e 3 D mo d e l s o f s h o r t r e c t a n g u l a r c o n c r e t e - fi l l e d s t e e l t u b e c o l u mn s a r e f o u n d e d b y 3 D s o l i d e l e me n t s fi r s t l y Co n s i d e ri n g ma t e r i a l n o n - l i n e a r a n d g e o me t r y n o n l i n e a r q u e s t i o n s i mu l t a n e o u s l y ， s i mu l a t e s a n d a n a l y z e s t h e c a p a c i t y b e h a v i o r s o f r e c t a n gul a r c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r s h o r t c o l u mn s u n d e r a x i a l c o mp r e s s i o n t h r o u g h r e a s o n a b l e g e o me t ry mo d e l i n g ， me s h i n g a n d c o r r e c t l o a d i n g me t h o d T h e r e s u l t s o f fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s a r e i n a c c o r d wi t h e x p e r i me n t r e s u l t s w e l 1 I t i s t e s t i fi e d t h a t t h e ma t e r i a l c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p i s s u i t a l e ， t h e n o n l i n e a r fin i t e e l e me n t a n a l y s i s me t h o d i s c o r r e c t a n d f e a s i b l e S o t h a t i t c a n gu i d e s a v a i l a b l y a n d s u p p l e me n t s t e s t s Ke y wo r d s ： r e c t a n g u l a r c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e ； s h o rt c o l u mn s ； a x i a l c o mp r e s s i o n； n o n l i n e a r fin i t e e l e me t 0 引 言 有限元方法是在结构分析方面迅速发展起来的 一 种有效的数值分析方法 ， 目前 已经被广泛的运用 于解决各种工程问题 。把有限元的方法用于钢管混 凝土结构的分析 中， 可 以帮助我们 了解钢管混凝土 结构在荷载作用下 的内在受力性能和破坏机理 ， 从 而能有效的指导试验 ； 有限元分析软件 A N S Y S是一 种很好的计算机数值 仿真工具 ， 可 以避免某种结构 分析进行的大量编程调试工作及专用程序的局限性 问题。本文采用通用有限元分析软件 A N S Y S ， 对钢 管混凝土中的钢材和混凝土进行三维建模 ， 同时考 虑到材料非线性和几何非线性 ， 通过不断的试算 ， 选 取合理 的单元 ， 进行合适的网格划分 ， 模拟文献 1 的钢管混凝土短柱轴压试 验 ， 分析矩形钢管混凝土 短柱在轴压荷载下的受力性能 ， 同时运用 A N S Y S中 收稿 13 期 ： 2 0 1 1 1 1 1 6 作者简介： 郝艳娥( 1 9 7 9一) ， 女， 陕西西安人， 硕士， 讲师， 研究方向 为钢一 混凝土组合结构 。 E ma i l ： 1 1 1 l 1 0 0 0q q c o n 的后处理功能 ， 绘出矩形钢管 昆凝土在极限承载力 时的位移和应力的分布云图 ， 探讨了矩形钢管混凝 土内部受力机理和性能。 1 钢材的材料模型 1 1 钢材单元的性质及应用 在 A N S Y S中， 对钢材采用 S O L I D 4 5 单元建模。 S O L I D 4 5单元是八节点六面体单元 ， 在单元 的每个 节点上有 3个 自由度 ， 即分别沿着 3个坐标轴方向。 此单元可以进行塑性 、 蠕变、 应力硬化 、 大变形 以及 大应变分析 ， S O L I D 4 5单元的几何形状 、 节点方 向以 及坐标轴取向如图 1 所示。 1 2钢材的屈服条件和强化准则 弹塑性理 论用 于钢材 已普 遍达 到共 识 ， 采用 V o n Mi s e s 屈服条件和相关流动法则能够推导其弹 塑性本构关系。不同的强化模型从不同的角度反映 了钢材的特性， 等向强化模型适合于单调加载的情 况， 但对于循环加载却不能反映包辛格 ( B a u s c h i n g e r ) 效应 ； 而运动强化模 型或混合强化模型 比较 适用于循环加载。本文采用 V o n M i s e s 屈服条件和 7 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 四面体单 元 ( 不 推荐 ) 图 1 S O L I I M5的几何模型 Fi g 1 Ge o me t r i c mo d e l o f t h e S OLI D4 5 等向强化本构模型。 对钢材单元采用 A N S Y S中的塑性选项多 线性等向强化( MI S O) 来模拟钢材 的应力应变关 系， 它应用的是 V o n Mi s e s 屈服准则 ， 即当应力达 到屈 服强度时 ， 钢材屈服进入塑性阶段 ， 可以在材性 中对 其进行定义。 2混凝土的材料模型 2 1 混凝 土单 元的性 质及 其应 用 A N S Y S采用 S O L I D 6 5单元来模拟混 凝土的材 料性质。S O L I D 6 5单元是 用八节点 的六面体建模 的， 每个节点就是六面体的顶点 ， 它可 以模拟 昆 凝土 的开裂 、 压碎 、 塑性和徐变等非线性特性 ， 并建立 了 三维情况下混凝土的破坏准则。该单元与 S O L I D 4 5 单元类似 ， 也是由 8个节点定义 ， 每个节点有 3个 自 由度 ， 节点坐标系 、 l ， 、 z方向的平动 ， 只是增加 了 特别的拉裂和压碎功能 ， S O L I D 6 5也可用 于模拟三 维有钢筋或无钢筋的混凝土模型 ， 如图2所示。 四面体单元 ( 不推荐) 图 2 S O L I D 6 5的几何模型 F i g 2 Ge o me t ric m o d e l o f t h e S OLI D6 5 在 A N S Y S中， S O L I D 6 5单元需要设定 以下几个 参数来定义混凝土： 裂缝张开剪力传递系数 ； 裂 缝闭合剪力传递系数 ； 单轴抗拉强度 ； 单轴抗压 强度 ； 双轴抗压强度 ； 围压大小 ； 围压下双轴 抗压强度 ； 围压下单轴抗拉强度 ； 拉应力折减系 数。 实际上一般只需输入第 、 、 、 、 项 5个 参数。本文根据经验将第项、 第项及第项分 别取 0 3 、 0 9和 0 9 ， 对于第项 ， 本文取为 一1 ， 即 关闭混凝土的压碎功能， 这是因为在计算 中， 如果考 虑混凝土的压碎破坏 ， 有限元模型会较早失效 ， 得到 极限荷载要比实际的小很 多， 为了得到矩形钢管混 凝土短柱轴压作用下的准确极限荷载与整个荷载变 形曲线 ， 因此关闭了混凝土压碎能力。 2 2 混凝土材料的本构关系和强化准则 混凝土是一种存在天然裂缝 的多相复合材料 ， 其 内在力学性质较为复杂， 尤其是在三向受力作用 下， 其力学性质就更为复杂 。目前还没有一种通用 的本构关系能概括混凝土受力时的所有特征， 而用 有限元法分析混凝土结构 时， 材料模型的真实性决 定于分析结果的可靠性 ， 为 了由有 限元获得符合实 际结果 ， 必须很好的确定混凝土的材料模型。 由于钢管混凝土轴心受压时核心混凝土处于三 向受压状态 ， 所以不能简单 的采用混凝土单向受压 时的应力一 应变关系， 若用单轴受压混凝土的本构关 系则导致试件承载力降低。本文在前人研究的基础 上采用考虑约束效应影响下的核心混凝土的应力一 应变关系 ， 如下式 ： r ， 。 A EO曰 ( ) 呲5 ( - O 0 7 8 4 5 啷 8 】 + 0 _ 9 5 1 4 O 0 + 8 0 0 ( ) ) 6 0 5 卢 = 0-7 嚣 ， 2 0 1 3 N o 2 郝艳娥， 等： 矩形钢管混凝土轴压短柱三维非线性有限元分析 7 7 = i0 17 3 + Io7o 36 ( 一 o 4 门 ) 55 + o 225 5 ( ( ) f 0 7 3 。 0 5 5 + 0 ) 在 A N S Y S中， S O L I D 6 5本构关 系的定义可以采 用以下 3个模 型 ： 等向强化模 型； 随动强 化模 型 ； D r u c k e r P r a g e r 模型 。本文采用等 向强化模型 定义混凝土的应力一 应变关系 的， S O L I D 6 5本构关系 的判断在破坏准则之前。 2 3混凝土的破坏准则 A N S Y S中 S O L I D 6 5单元混凝土的破坏 、 开裂准 则采用的是 Wi l l a m Wa r n k e r 的 5参数模型 ， 这 5个 参数为 ： 混凝土的单轴极限抗拉强度 、 单轴极限抗 压强度 、 双轴极限抗压强度 、 静水压力状态下的 双轴抗压强度 、 静水压力状态下 的多轴抗压强度 。 3 钢管和核心混凝土的粘结 本文假设钢管和混凝土之间完全粘结 ， 目前大 多数 研 究 者 ( 例 如 N e o g i 、 T o mi i 、 S h a k i r - K h a l i l和 Z e g h i c h e ) 在分 析钢管混凝 土结构时都采用这一假 定 ， 少数研究者在钢单元和混凝 土之 间加人滑移单 元 ( s l i p e l e me n t ) 或间歇单元( g a p e l e me n t ) 来研究钢 管混凝土结构 ， 但结果表 明考虑界 面之 间的粘结滑 移性能对钢管混凝土结构的影响很小 ， 故假定钢管 和混凝土之 间完全粘结 ， 同时不考虑混凝土的收缩 、 徐变及破坏时钢管的局部屈曲对钢管混凝土结构的 影 响 。 4 试验试件特征参数及材料性质 4 1 试件参数 本文模拟的试 验数据来 自于文献 1 ， 取 其 中 1 0个试件的几何特征参数见表 1 。 表 1 试件几何特征参数 Tab l e 1 The pa r a m e t e r s o f g e o me t r i c c har ac t e r i s t i c s o f s ampl e s 试件长度 D 宽度 B 厚度 t试件长度 长宽比 约束 系数 m m m m m m m m D B = LA 3 ， l k A ： 1 1 1 0 l 0 0 2 8 6 3 3 0 1 1 0 7 2 1 5 O 1 3 5 2 8 6 4 5 0 1 1 O 5 3 9 0 7 0 2 8 6 2 7 0 1 2 O 9 3 4 1 0 0 7 5 2 8 6 3 0 0 1 3 0 8 5 5 1 2 O 9 O 2 8 6 3 6 0 1 3 0 7 6 1 4 0 1 0 5 2 8 6 42 0 1 3 0 6 7 l 5 0 1 1 5 2 8 6 4 5 0 1 3 0 5 4 8 1 6 0 1 2 0 7 6 48 0 1 3 1 3 9 1 3 O 8 5 2 8 6 3 9 0 1 5 0 7 1 O 1 4 0 8 0 2 8 6 4 2 0 1 7 5 O 7 注 ： A 、 4 。分别为钢材和混凝土 的横截 面面积 ； 为钢 材屈服极 限 k= o 6 为混凝土立方试块抗压强度 。 4 2 材料性质 4 2 1 核 心混凝 土 混凝土材料性质见表 2 。 表 2 混凝 土材料-性质 Ta bl e 2 M a t e r i al pr o pe r t i e s o f c o nc r e t e ( 2 ) 在 A N S Y S中， 按式( 1 ) 输入 的混凝土本构关系 如图 3所示 。 图 3 混凝土本构关系 F i g 3 Co n c r e t e c o n s t i t u tiv e r e l a tio n s h i p 4 2 2 钢材 钢板厚度为 2 8 6 m m 的材料参数列于表 3 。 表 3 钢材材料性质 Tabl e 3 M a t e r i al pr o pe r t i e s o f s t e e l 钢板厚度为 7 6 m m 的材料参数列于表 4 。 表 4 钢材材料性质 Ta bl e 4 M at e r i a l p r op e r t i e s o f s t e e l 在 A N S Y S中， 输入钢材 的应力一 应变 曲线如图 4所示 。 图 4 钢材本构关 系 Fi g 4 St e e l c o ns tit ut i v e r e l at i o ns hi p