摘要：隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展及有限元程序的推出，結(jié)合工程建設(shè)的需要，專家學(xué)者們對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入了高潮。本文基于有限元軟件ABAQUS對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行穩(wěn)定承載能力和強(qiáng)度承載能力研究。研究表明，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的鋼管混凝土柱和鋼管混凝土拱肋，在軸心受壓工況下，其承載力是由穩(wěn)定控制的;在實(shí)際工程中，應(yīng)該更多的關(guān)注鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的失穩(wěn)破壞。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土柱;ABAQUS;局部屈曲;極限承載能力

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能在核心混凝土和外包鋼管兩種不同材料的相互作用中取得明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。一方面，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外包鋼管和核心混凝土承載力之和;另一方面，通過(guò)鋼管和混凝土的組合作用，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)不僅承載能力得到了大幅度提高，而且其延性和塑性性能也得到了良好的改善。

本文基于有限元軟件ABAQUS實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土柱軸心受壓全過(guò)程的承載能力分析。整個(gè)研究分析過(guò)程分為獨(dú)立的兩部分：①通過(guò)特征值屈曲分析得出用于評(píng)估穩(wěn)定極限荷載的屈曲臨界荷載，再通過(guò)設(shè)置初始缺陷進(jìn)行非線性屈曲分析得出鋼管混凝土柱的穩(wěn)定極限荷載以及整個(gè)屈曲過(guò)程的荷載位移曲線;②通過(guò)設(shè)置材料非線性、幾何非線性及接觸非線性，進(jìn)行鋼管混凝土柱的靜力應(yīng)力場(chǎng)分析，得到其材料強(qiáng)度極限荷載及整個(gè)軸心受壓過(guò)程荷載位移曲線。

1 ABAQUS有限元模型的建立

本模型中采用實(shí)體單元模擬核心混凝土，采用殼單元模擬鋼管;其中鋼管外徑D=1m，鋼管混凝土柱長(zhǎng)l=12.5m?；炷敛牧蠟镃50，鋼管為Q235鋼材;鋼管混凝土柱邊界為一端自由，一端約束X、Y、Z三個(gè)方向的位移，并限制沿三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 鋼管混凝土柱穩(wěn)定承載能力分析

2.1 特征值屈曲分析

荷載采用1N的集中力進(jìn)行加載，對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行線性攝動(dòng)分析，提取一階模態(tài)特征值如下圖所示。

由圖2可得到此鋼管混凝土柱在線性特征值屈曲分析下的前屈曲臨界荷載Fcr=54163kN。

2.2 非線性屈曲分析

取特征值屈曲分析中一階模態(tài)的百分之一作為非線性屈曲分析中的初始缺陷施加于后屈曲模型中，混凝土材料采用C50混凝土塑性損傷本構(gòu)，鋼材采用雙折線理想本構(gòu);荷載采用在自由端施加3mm的軸向位移;并采用riks弧長(zhǎng)法進(jìn)行后屈曲分析。后屈曲分析后處理如下圖所示。

ABAQUS采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則。通常認(rèn)為，當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力時(shí)，材料發(fā)生塑性變形。由圖3、圖4可知鋼管在其底部位置附近產(chǎn)生塑性應(yīng)變，而混凝土在靠近底部區(qū)域已產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

由圖5的荷載位移曲線可知此鋼管混凝土柱先后經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段，最終達(dá)到臨界荷載后，其承載力逐漸下降;該鋼管混凝土柱的失穩(wěn)極限荷載為32683.9kN。

3 鋼管混凝土柱強(qiáng)度承載能力分析

取特征值屈曲分析的模型，邊界條件及接觸條件均不改變;混凝土材料采用C50混凝土塑性損傷本構(gòu)，鋼材采用雙折線理想彈塑性本構(gòu)。在自由端施加10mm軸向位移，并采用general static靜力分析步，分析計(jì)算后的后處理云圖如下圖所示。

由圖6、圖7可以看出鋼管混凝土柱在軸向荷載作用下，鋼管中間區(qū)域有較大部分應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力，進(jìn)入彈塑性階段;混凝土中間位置的局部區(qū)出現(xiàn)塑性應(yīng)變，進(jìn)入塑性階段。

由圖8的荷載位移曲線可得出此鋼管混凝土柱在軸心受壓下的強(qiáng)度承載能力為45114.2kN。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)有限元分析軟件ABAQUS建立鋼管混凝土柱的相應(yīng)模型，并依次進(jìn)行線性特征值屈曲分析、非線性屈曲穩(wěn)定分析以及非線性靜力分析，得出以下結(jié)論：

1.該鋼管混凝土柱的實(shí)際長(zhǎng)細(xì)比λsc=4l0/D=100（l0為構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，D為鋼管的外徑）。由于λ0=12.73<λsc=100<λp=150（λ0為臨界長(zhǎng)細(xì)比，λp為界限長(zhǎng)細(xì)比），該鋼管混凝土柱發(fā)生彈塑性失穩(wěn)，也驗(yàn)證了失穩(wěn)極限荷載值32683.9kN小于強(qiáng)度極限荷載值45114.2kN。

2.在實(shí)際工程中，鋼管混凝土柱和鋼管混凝土拱肋的長(zhǎng)細(xì)比都很大。在多數(shù)情況下，鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件的承載力是由穩(wěn)定控制的。在本文中，鋼管混凝土柱失穩(wěn)極限荷載只有強(qiáng)度極限荷載的70%左右，說(shuō)明穩(wěn)定問(wèn)題對(duì)鋼管混凝土軸壓構(gòu)件是非常重要的，在實(shí)際工程中應(yīng)該更多的關(guān)注其失穩(wěn)破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇曉春.鋼管混凝土受壓構(gòu)件力學(xué)性能研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2015.

作者簡(jiǎn)介：

班長(zhǎng)凱（1993-），男，助理工程師，碩士研究生，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津 300392