江子航 翟 荃 肖家浩 申興月

（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院）

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以其自重輕、耐疲勞和沖擊、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地用于現(xiàn)代工程實(shí)際中，到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者們對普通強(qiáng)度鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能做了很多研究[1-5]。Mursi 等[6]以“條帶模型”為基礎(chǔ)，對箱形鋼管混凝土柱在彈性和塑性階段進(jìn)行了局部失穩(wěn)分析，發(fā)現(xiàn)隨著寬厚比的增大，其局部屈曲發(fā)生了顯著的變化；陳勇[7]對42 個(gè)冷彎薄壁鋼管混凝土短柱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在軸壓作用下，此類短柱主要是剪切破壞，并且給出了極限壓應(yīng)力、極限壓應(yīng)變和極限承載力的計(jì)算公式；陶忠等[8]對8 根冷彎鋼管混凝土柱軸壓、純彎和壓彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，給出了三種不同應(yīng)力狀態(tài)下的加載-變形關(guān)系的全過程，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，仿真精度較高。

本研究基于高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土柱進(jìn)行三種影響因素下的偏心試驗(yàn)，三種因素為長細(xì)比、寬厚比和偏心率，同時(shí)利用ABAQUS 有限元分析軟件對偏心作用下高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱在上述影響因素下的變形破壞進(jìn)行模擬分析，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行分析對比，為這一類構(gòu)件的有限元研究提供參考。

1 高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱偏壓數(shù)值模擬

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

為了探討高強(qiáng)度冷彎矩形鋼管混凝土柱體的偏心特性，本實(shí)驗(yàn)采用單向偏心受壓實(shí)驗(yàn)。高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱偏壓示意圖如圖1 所示。試件的相關(guān)參數(shù)信息見表1。

圖1 加載示意圖

表1 試件尺寸與參數(shù)

1.2 核心混凝土的本構(gòu)模型

本研究利用ABAQUS/標(biāo)準(zhǔn)模組對其進(jìn)行了力學(xué)性能仿真，選取了模型庫內(nèi)的塑性損傷模型，并利用陳寶春[9]所述的核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，得出了在偏心荷載作用下核心混凝土本構(gòu)模型：

1.3 鋼材的本構(gòu)模型

本研究根據(jù)Q420 高強(qiáng)度鋼的材性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不存在明顯的彈塑性、二次塑性階段，而是直接進(jìn)入了強(qiáng)化階段，僅顯示了彈性和強(qiáng)化期的特性，因此根據(jù)簡化的雙線性模型[10]，將鋼材的本構(gòu)關(guān)系劃分為兩個(gè)階段，即當(dāng)?shù)竭_(dá)屈服應(yīng)力fy前是彈性階段，其應(yīng)力-應(yīng)變遵循胡克定律σs=Es·εs；再到強(qiáng)化階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變都是線性的。用以下方法對鋼材的材性數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性回歸：

因此，高強(qiáng)鋼材的本構(gòu)關(guān)系可表示為：

式中，σs、εs分別為鋼材的應(yīng)力、應(yīng)變；fy為鋼材屈服強(qiáng)度；εy為鋼材屈服強(qiáng)度對應(yīng)的屈服應(yīng)變。

1.4 ABAQUS 模型建立

使用ABAQUS 軟件進(jìn)行建模，對高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱進(jìn)行偏壓受力分析。高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱構(gòu)件主要由Q420 鋼管和C40 混凝土及柱端的加載端板組成。鋼管、加載端板、混凝土均采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的實(shí)體單元（C3D8R）；所有單元都為實(shí)體單元，所以采用六面體單元網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鋼管與混凝土的切向行為定義成有摩擦，使用罰函數(shù)，其摩擦系數(shù)是0.25。法向行為的定義是硬接觸。模型的加載方式和邊界條件如圖2 所示。構(gòu)件在偏心力作用下可以使其在z 方向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)需要限制x、y 軸方向的位移。構(gòu)件的兩端都需要設(shè)置為在z 軸方向有轉(zhuǎn)角。

圖2 加載和邊界條件

2 有限元與試驗(yàn)對比分析

圖3 給出了ABAQUS 模擬高強(qiáng)冷彎矩形鋼管混凝土偏壓柱受力結(jié)果的應(yīng)力云圖，9 根構(gòu)件都表現(xiàn)良好的偏壓性能，基本上都是彎曲破壞。

圖3 ABAQUS 模擬結(jié)果

有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如圖4 所示。圖4a、b、c、g、h、i 展示了試件的荷載-位移曲線，圖4d、e、f 展示的是試件的荷載—橫向撓度曲線。分析9 根試件的彈性階段，有限元模擬的曲線的斜率比實(shí)驗(yàn)曲線稍高，但偏差較小。從ABAQUS 結(jié)果整體情況來看，構(gòu)件都處于屈服狀態(tài)，與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，表明有限元模擬結(jié)果比較好。

圖4 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

3 參數(shù)分析

本研究在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過使用有限元模擬得到的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到了偏心率、寬厚比與長細(xì)比三個(gè)參數(shù)對高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱偏心受壓下的N/Nu-M/Mu 曲線如圖5 所示?？刂迫齻€(gè)參數(shù)中兩個(gè)不變時(shí)，比較另一個(gè)參數(shù)對構(gòu)件的N/Nu-M/Mu 曲線的影響。從圖5a 可以看出，構(gòu)件的寬厚比越小時(shí)，曲線包含的面積就越大；在圖5b 中，當(dāng)三個(gè)構(gòu)件的偏心距在慢慢減小時(shí)，曲線包絡(luò)的面積也在減少；在圖5c 中，構(gòu)件的長細(xì)比在慢慢減小時(shí)，曲線包絡(luò)面積是在慢慢增大。分析三個(gè)參數(shù)的N/Nu-M/Mu曲線可以看出：構(gòu)件的長細(xì)比和偏心距對曲線的影響比寬厚比大；同時(shí)長細(xì)比和偏心距曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)是越來越靠近原點(diǎn)坐標(biāo)，曲線的鼓曲程度也有所下降，表明構(gòu)件的承載力已經(jīng)開始下降；特別是當(dāng)加載進(jìn)行到后期時(shí)，由幾何變形引起的二階彎矩對構(gòu)件的承載力的影響慢慢變大，曲線便會(huì)越來越往里面靠，包絡(luò)的面積在減??；構(gòu)件的長細(xì)比和偏心距越大時(shí)，曲線越趨向于一條直線。

圖5 高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土偏壓柱N/Nu- M/Mu 關(guān)系曲線

4 結(jié)論

⑴建立了高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土偏壓柱的三維模型，通過有限元模擬了高強(qiáng)冷彎鋼管混凝土柱偏壓受力過程，并通過分析計(jì)算得出有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近，證明了模型的實(shí)用性。

⑵參數(shù)分析表明：長細(xì)比和偏心率以及寬厚比越小，柱的偏心承載能力越大；在試件偏壓破壞的過程中，偏心率越大，極限承載力越??；長細(xì)比越大，極限承載力越??；寬厚比越大，極限承載力越小。