葉柏龍 吳奇超

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

空心鋼管混凝土構(gòu)件采用離心法澆筑管內(nèi)混凝土并通過蒸汽養(yǎng)生制成，混凝土部分為中空。具體在使用時(shí)，一般先預(yù)制，再通過機(jī)械運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝?？招匿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)比較能縮短工程工期，節(jié)約水泥用量，節(jié)省空間，工廠化生產(chǎn)使質(zhì)量穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著各種截面形式的空心的鋼管混凝土的不斷出現(xiàn)，給空心鋼管混凝土在工程建設(shè)中提供了很大的發(fā)展前景。

目前，學(xué)者查曉雄以及其他研究者對(duì)空心鋼管混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，其相關(guān)的試驗(yàn)研究成果可以在CECS 254:2009空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中找到。隨著空心鋼管混凝土柱在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，有學(xué)者曾經(jīng)用ABAQUS軟件對(duì)圓形空心鋼管混凝土短柱軸壓試驗(yàn)進(jìn)行了模擬［1］，為了深入了解四邊形和八邊形的空心鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的工作機(jī)理，本文采用大型通用ANSYS軟件對(duì)多邊形空心鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)進(jìn)行模擬。

1 有限元模型及分析

1.1 試驗(yàn)資料

本文分別用文獻(xiàn)［2］中一組四邊形截面和另一組八邊形截面軸壓短柱試件為例，分別進(jìn)行比較。它們的截面形式如圖1，圖2所示，相應(yīng)的試件數(shù)據(jù)資料如表1所示。

圖1 四邊形鋼管混凝土實(shí)體模型

圖2 八邊形鋼管混凝土實(shí)體模型

表1 試件資料

1.2 材料類型

在本次分析中，核心混凝土采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化混凝土模型(MISO)，混凝土破壞準(zhǔn)則采用William-Warnke五參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則，這對(duì)混凝土強(qiáng)度性能的描述足夠準(zhǔn)確。由于四邊形和八邊形鋼管對(duì)內(nèi)部混凝土的約束力不強(qiáng)，并且約束力很不均勻，表現(xiàn)為角部的混凝土受的約束力強(qiáng)，邊部中間混凝土受的約束力弱［3］，故其應(yīng)力—應(yīng)變模型可采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中素混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式［4］(見圖3)。

圖3 混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

鋼材使用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，根據(jù)多邊形鋼管混凝土的鋼管縱向受壓、橫向受拉的特點(diǎn)，其屈服準(zhǔn)則采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，能較好地模擬低碳鋼的彈塑性性能，彈性模量及屈服強(qiáng)度都按照實(shí)測(cè)結(jié)果取值，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式［5］見圖4，該簡(jiǎn)化的應(yīng)力—應(yīng)變曲線一般分為彈性段、彈塑性段、塑性段、強(qiáng)化段和二次塑流等五個(gè)階段，其在鋼管混凝土構(gòu)件有限元分析中較為常用。

圖4 鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

1.3 單元選擇及網(wǎng)格劃分

ANSYS自帶的單元類型有殼單元、實(shí)體單元、薄膜單元、梁?jiǎn)卧蜅U單元等等。鋼管采用Soild45單元［6］，核心混凝土和蓋板都采用Soild65單元［6］，且蓋板采用剛性面。Soild45是八節(jié)點(diǎn)六面體單元，在單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度;Soild65是三維八節(jié)點(diǎn)等參元Soild45單元的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)于混凝土的材料參數(shù)和組合式鋼筋模型?；炷敛此杀热?.2，鋼材泊松比取0.3;混凝土的彈性模量為Ec=3×104MPa，鋼材的彈性模量為Ec=2×105MPa。

利用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要同時(shí)考慮網(wǎng)格劃分密度的合理性和經(jīng)濟(jì)性。本文采用網(wǎng)格試驗(yàn)的方法確定網(wǎng)格劃分的密度，即先執(zhí)行一個(gè)認(rèn)為是合理的網(wǎng)格劃分的初始分析，再在危險(xiǎn)區(qū)域利用兩倍多的網(wǎng)格重新分析并比較兩者的結(jié)果。如果這兩者給出的結(jié)果幾乎相同，則網(wǎng)格是足夠的。如果產(chǎn)生了顯著不同的結(jié)果，應(yīng)該繼續(xù)細(xì)化網(wǎng)格直到隨后的劃分獲得了近似相等的結(jié)果。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖5 四邊形鋼管混凝土網(wǎng)格劃分

圖6 八邊形鋼管混凝土網(wǎng)格劃分

1.4 約束和邊界條件

利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)多邊形空心鋼管混凝土短柱軸壓過程進(jìn)行全過程分析，分析模型中，假設(shè)鋼管與混凝土之間是徹底粘結(jié)的［7］，即不考慮界面之間的粘結(jié)滑移對(duì)多變形空心鋼管混凝土整體性能的影響。

為了符合真實(shí)的加載情況，對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行限制。將模型底面蓋板沿模型縱向的平動(dòng)自由度和繞兩個(gè)水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均約束為0，同時(shí)在模型的柱頂面蓋板上采用位移加載的方式進(jìn)行加載，既設(shè)定模型沿縱向的位移值，又約束其繞兩個(gè)水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。采用位移加載的原因是:1)若采用力的加載方式，在求解到構(gòu)件極限峰值時(shí)會(huì)很難繼續(xù)計(jì)算下去，得不到下降值;2)由于平截面假定截面上的應(yīng)力分布是不均勻的，同一高度上的鋼材單元要大于混凝土單元的應(yīng)力，且材料進(jìn)入非線性階段時(shí)截面上的應(yīng)力還要重分布。

圖7 四邊形空心鋼管混凝土結(jié)果對(duì)比

2 結(jié)果分析

提取底部截面的豎向反向得到軸向壓力，由底部截面平均位移除以構(gòu)件長(zhǎng)度得平均應(yīng)變，經(jīng)過軟件計(jì)算分析后，可以得到其軸壓荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線的模擬結(jié)果，圖7，圖8分別給出了四邊形和八邊形空心鋼管混凝土模擬結(jié)果與兩個(gè)試件的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，從圖中可以看出，多邊形空心鋼管混凝土軸壓荷載較小時(shí)，荷載—應(yīng)變曲線基本保持直線，試驗(yàn)曲線和有限元模擬曲線吻合較好;當(dāng)荷載值增大到一定值時(shí)，荷載—應(yīng)變曲線表現(xiàn)為非線性，這時(shí)，試驗(yàn)曲線和有限元模擬發(fā)生微小偏離;當(dāng)曲線達(dá)到峰值點(diǎn)進(jìn)入下降段后，試驗(yàn)曲線的下降段與試驗(yàn)?zāi)M曲線的下降段有一定偏離。

圖8 八邊形空心鋼管混凝土結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語

利用大型通用有限元軟件ANSYS模擬得到試件軸壓荷載—應(yīng)變曲線，該試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果之間很相似，說明ANSYS軟件能較好地模擬和分析多邊形空心鋼管混凝土短柱的軸向受壓的全過程，且能很好地得出軸向受壓的荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線，這有助于深入認(rèn)識(shí)多邊形空心鋼管混凝土的力學(xué)性能，與此同時(shí)，也可以說明本文所建ANSYS有限元模型的準(zhǔn)確性。

在有限元分析中，未考慮多邊形空心鋼管混凝土中鋼材與混凝土之間滑移的影響，但試驗(yàn)結(jié)果和ANSYS模擬結(jié)果非常接近，說明在模擬多邊形空心鋼管混凝土?xí)r可以不考慮鋼管對(duì)混凝土的約束作用。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，八邊形空心鋼管混凝土的短柱軸壓比四邊形空心鋼管混凝土的軸壓會(huì)略大，這與實(shí)際情況也很吻合，進(jìn)一步證明了ANSYS有限元模型和相關(guān)假設(shè)的合理性。

［1］趙 亮，馬 瞻.空心鋼管混凝土軸壓短柱的有限元分析［J］.山西建筑，2013，39(9):37-38.

［2］鐘善桐，徐國林.空心鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的工作性能和承載力［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2006(1):7-8.

［3］查曉雄，黎玉婷，鐘善桐.圓形、多邊形、實(shí)、空心鋼管混凝土柱軸壓組合強(qiáng)度統(tǒng)一公式［A］.2010年全國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［C］.

［4］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］韓林海，陶 忠，劉 威.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)—理論與實(shí)踐［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(9):50-52.

［6］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］黃翔宇，石少卿，尹 平，等.高強(qiáng)鋼管混凝土短柱軸壓承載力試驗(yàn)和有限元分析［D］.重慶:后勤工程學(xué)院，2005.