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        方鋼管混凝土組合柱的軸壓工況有限元模擬

        2021-11-30 12:20:38高峰吳保倫朱文懌范中鑫宿遷學(xué)院江蘇宿遷223800
        安徽建筑 2021年11期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土模型

        高峰,吳保倫,朱文懌,范中鑫 (宿遷學(xué)院,江蘇 宿遷 223800)

        0 前言

        方鋼管混凝土柱具有較高的抗壓承載力,梁柱節(jié)點處易于施工等特點,因此在工程中常作為受壓構(gòu)件被廣泛使用。丁發(fā)興采用實驗和ABAQUS有限元模擬分析相結(jié)合的方法,根據(jù)極限平衡理論,提出了新的方鋼管混凝土短柱實用承載力計算公式。程高、齊浩等基于ABAQUS軟件采用S4四節(jié)點完全積分的殼體單元模擬鋼管,采用C3D8八節(jié)點線性六面體單元模擬混凝土,建立了方鋼管混凝土的完整模型。而盧方偉采用ABAQUS中的20節(jié)點減縮積分的六面體二次單元C3D20R建立核心混凝土模型,鋼管模型采用8節(jié)點三維非協(xié)調(diào)單元C3D8I,建立了八分之一柱體模型,研究鋼材與混凝土接觸面的壓力與荷載的關(guān)系。三者建模中的混凝土材料的本構(gòu)模型皆采用ABAQUS軟件中的塑性損傷模型。李海峰采用有限元分析軟件ABAQUS建立了9根方鋼管混凝土柱的有限元分析模型,混凝土采用損傷塑性模型和實體單元C3D8R,鋼板采用殼單元S4R,綜合分析不同軸壓比、鋼板強度、混凝土強度對方鋼管混凝土柱軸壓性能的影響,得出提高混凝土強度等級可以有效提高柱的承載力這一結(jié)論。曹君堯通過有限元軟件ABAQUS采用實體建模,用8節(jié)點線性減縮積分格式的六面體單元C3D8R,對模擬的12個不銹鋼方鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行變形能力、承載能力數(shù)值的對比分析,提出了不銹鋼方鋼管混凝土軸壓短柱承載力的建議公式。李幗昌采用ABAQUS有限元軟件對內(nèi)置CFRP工字形型材的方鋼管混凝土偏壓短柱進(jìn)行模擬,建立4個部分有限元單元。兩端蓋板、鋼管以及核心混凝土均選用8節(jié)點縮減積分的三維實體單元(C3D8R)。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù),將兩端蓋板視為彈性體,CFRP型材選用4節(jié)點縮減積分殼單元(S4R)。從而探究偏心率、含鋼量、鋼材強度和混凝土強度對構(gòu)件受力性能的影響規(guī)律。卜永紅基于外端板加強式鋼管混凝土柱—鋼梁焊接節(jié)點抗震性能試驗結(jié)果,運用ABAQUS有限元模擬對其抗震性能進(jìn)行有限元分析,運用3D實體單元C3D8R創(chuàng)建結(jié)點三維模型,用屬性功能模塊進(jìn)行本構(gòu)定義,創(chuàng)建有限元模型,并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比,驗證了有限元分析參數(shù)選取、模型建立及加載計算合理。當(dāng)前諸多學(xué)者有關(guān)鋼管混凝土柱,有限元分析的流程,主要采用實體單元C3D8R、殼體單元S4R,建立方鋼管混凝土實體模型。本文基于諸多學(xué)者的實踐成果,對比分析兩種方鋼管混凝土主流建模方式,以求探索和簡化有限元分析的建模方式。

        1 有限元建模方法

        1.1 實體、對稱建模、模型建立

        方鋼管混凝土有限元分析模型分為三個部分:方鋼管、核心混凝土及兩端蓋板,方鋼管混凝土構(gòu)件實體模型尺寸見表1所示。其中:b為截面寬度;h為截面高度;d為鋼管壁厚度;H為構(gòu)件高度;單位為mm。方鋼管采用4節(jié)點縮減積分格式的殼體單元(S4R),沿殼體單元的厚度方向采用9個節(jié)點的Simpson積分,核心混凝土采用8節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R)。

        構(gòu)件建模分類表 表1

        1.2 實體、對稱、殼體建模、創(chuàng)建部件

        實體、對稱建模在Module列表中選擇Part功能模塊。分別創(chuàng)建1/4蓋板模型cap,1/4方鋼管模型steel和1/4核心混凝土模型cor。各部件建模分類見表1所示,各部件模型見圖1所示。

        圖1 蓋板、方鋼管和混凝土模型

        圖2 創(chuàng)建材料和截面屬性流程圖

        圖1 a,b,c分別為1/4蓋板、1/4方鋼管和1/4混凝土模型。

        1.3 創(chuàng)建材料和截面屬性

        1.3.1 材料屬性

        為材料賦予截面屬性,楊氏模量與泊松比數(shù)據(jù)見表2所示。

        材料屬性表 表2

        1.3.2 部件裝配

        接受默認(rèn)參數(shù)Instance Type:Dependent(mesh on part),即類型為非獨立實體,點擊OK。使用平移和旋轉(zhuǎn)命令,裝配方鋼管混凝土組合柱。

        1.3.3 設(shè)置分析步

        下面將創(chuàng)建三個分析步。

        初始分析步:Initial:默認(rèn)Procedure type 為 General,和 Static,General,點擊Continue。第一個分析步Contact:默認(rèn)type,設(shè)置幾何非線性開關(guān)Nlgeom 為off。第二個分析步load:步驟和增量步同第一個分析步。

        1.3.4 定義接觸

        ①定義接觸屬性

        設(shè)置 Pressure-overclosure為Hard contact,allow separation after contact。選擇normal behavior。

        設(shè)置同上。再選擇Tangential behavior,選擇摩擦函數(shù)為Penalty,輸入Friction Coeff為0.6。

        ②定義部件接觸

        將蓋板和整個截面的接觸命名為Int-cap1-whole,選擇主面為蓋板內(nèi)側(cè),從面為整個截面,選擇small sliding,node to surface,no adjustment,hard contact;蓋板2同理。將混凝土與鋼管的接觸命名為Int-con-steel,選擇主面為鋼管內(nèi)表面,從面為外圍混凝土外表面,分別選擇small sliding,surface to surface,specify tolerance adjustment zone為0.1,hard contact2。

        1.3.5 定義邊界條件

        在對話框中,默認(rèn)BC-1,step為contact。選擇 Displacement/Rotation,選中U1,U2,U3,UR1,UR3并且其后值為0,表示在接觸階段,x,y,z軸方向的位移均為0,繞x,z軸的轉(zhuǎn)動為0,只能繞y軸轉(zhuǎn)動。

        1.4 劃分網(wǎng)格

        將網(wǎng)格尺寸設(shè)為15。選擇Hex六面體單元,sweep掃略網(wǎng)格,沿掃略路徑拉伸,得到三維網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后模型如圖3、圖4所示。

        圖3 劃分網(wǎng)格后的實體對稱模型

        圖4 劃分網(wǎng)格后的殼體對稱模型

        2 運算分析與結(jié)果對比

        2.1 提交作業(yè)

        2.2 運算結(jié)果對比

        提交作業(yè)后,點擊result,有限元分析結(jié)果圖如圖5、圖6所示。

        圖5 實體對稱有限元分析模型

        圖6 殼體對稱有限元分析模型

        2.2.1 運算時間對比

        在點擊提交作業(yè)的同時開始計時,并在提示欄出現(xiàn)completed successful字樣的同時,點擊暫停。實體對稱模型運算時間為28.75s,殼體對稱模型運算時間為24.73s。

        殼體對稱建模運算時間比實體對稱建模短4.02s,可知運算速度方面,殼體模型更具優(yōu)勢;因此在較為復(fù)雜的模型中,可采用殼體建模的方式對部分模型進(jìn)行簡化,縮短運算時間。

        2.2.2 荷載時間曲線、荷載-位移曲線對比

        圖7為實體對稱模型和殼體對稱模型荷載—時間曲線。由圖可知,在相同的荷載與邊界條件下,不同的建模方式運算過程中,荷載隨時間的變化基本一致,兩個模型幾乎同時荷載達(dá)到最大值。

        圖7 荷載-時間曲線

        圖8為荷載—位移曲線,殼體對稱模型在位移絕對值1.70mm時荷載達(dá)到最大值859.02kN,實體對稱模型在位移絕對值1.70mm時達(dá)到荷載最大值886.92kN。實體模型與殼體模型峰值荷載相差27.9kN??芍m當(dāng)用殼體模型替代實體模型,在相同荷載相同邊界條件的情況下運算結(jié)果相差不大。

        圖8 荷載-位移曲線

        3 結(jié)論

        ①采用殼體建模、實體建模對結(jié)果收斂性影響的相差不大,實際可采用這兩種方式進(jìn)行粗略計算。

        ②采用殼體建模并考慮對稱條件,可以減少計算所需時間,計算結(jié)果與實際相比存在誤差,但在可控范圍內(nèi)。

        ③適當(dāng)使用殼體模型替代部分實體模型,不會導(dǎo)致計算不收斂,并且結(jié)果與實體模型相差不大。

        ④相比殼體建模,采用實體建模計算所需量更大,計算所需時間長一點,因此在復(fù)雜建模中,可適當(dāng)采用殼體建模的方式建立部分構(gòu)件的模型,縮短計算時間。

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