基于ANSYS有限元平臺(tái)，考慮建筑混凝土短柱軸材料的幾何參數(shù)與計(jì)算方法，建立有限元分析基礎(chǔ)下的建筑混凝土短柱軸壓承載力數(shù)值模型，在模型的基礎(chǔ)上分析不同配箍特征值下的建筑混凝土短柱軸壓承載的荷載位移曲線，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值以及設(shè)定混凝土受壓強(qiáng)度，對(duì)所建立的有限元混凝土短柱軸壓承載的具體情況以及數(shù)值模型模擬進(jìn)行可行性分析，通過試驗(yàn)結(jié)果與其具體的試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行判斷，提出試驗(yàn)結(jié)果吻合的比對(duì)方法及策略，給出個(gè)人看法以及檢驗(yàn)說(shuō)明。

有限元； 建筑混凝土； 短柱； 軸壓承載； 數(shù)值模擬

TU311.41 A

［定稿日期］2021-12-06

［作者簡(jiǎn)介］杜政敏（1984—），女，在讀本科，工程師，研究方向?yàn)楣こ坦芾怼?/p>

隨著我國(guó)建筑施工的發(fā)展，鋼筋混凝土的新型混合結(jié)構(gòu)組合體發(fā)展很快，建筑混凝土短柱軸壓承載是以鋼板為外部結(jié)構(gòu)，其自身具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本文提出短柱軸承載力的有限元分析，以此在ANSYS軟件基礎(chǔ)上構(gòu)建有限元分析，探討建立數(shù)值模型的具體方向及可行性［1］。

1 有限元模型的構(gòu)建

1.1 本構(gòu)關(guān)系

設(shè)計(jì)有限元模型的構(gòu)建，要考慮到本構(gòu)關(guān)系的設(shè)計(jì)構(gòu)造，根據(jù)有限元模型中的具體要素進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼板籠的設(shè)計(jì)為第一步，構(gòu)建有限元模型確定鋼板籠的結(jié)構(gòu)，其本身屬于一種閉合狀態(tài)的容器，鋼板籠設(shè)計(jì)有2種方法，一種是混合方法一體設(shè)計(jì)，另一個(gè)是混合方法分離設(shè)計(jì)。

本文用混合方法一體設(shè)計(jì)為主要思路，根據(jù)混凝土單軸受壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系按GB 50010-2010（2015年版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定見式（1）。

當(dāng)εc≤ε0時(shí)，

σc=fc［1-（1-εc/ε0）n］（1）

當(dāng)ε0≤εc≤εcu時(shí)，

σc=fc

根據(jù)計(jì)算公式（1）的內(nèi)容可以知道在模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，采用一系列數(shù)據(jù)模擬擬合輸入，按照非線性彈性材料的定義模型，采用多線性定向強(qiáng)化奠定應(yīng)變力的計(jì)算方法，根據(jù)強(qiáng)化拉力的MISO模擬，輸入混凝土彈性模量為試探性模量，EC=30 GPa，泊松比為0.2，破壞準(zhǔn)則采用WIllam-Qwarnker五參數(shù)強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行擬合度測(cè)試，按照此原則進(jìn)行測(cè)試，實(shí)施混凝土張開裂縫的剪切傳遞系數(shù)0.6，所測(cè)試的閉合裂縫的剪切鏈接系數(shù)為1.0，鋼板本身的應(yīng)力值與應(yīng)變變化關(guān)系根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算，取得理想的彈性及延展性模型基礎(chǔ)，在研究中根據(jù)雙線性等強(qiáng)化模型BISO模擬，彈性向量Es=30 GPa，泊松比為0.4［2］。

1.2 單元選擇

按試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的零部件尺寸和主要參數(shù)，建立ANSYS有限元模型，按照模擬圖形中細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)零部件，如圖1所示。

根據(jù)需要考慮的混凝土三維8節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要素來(lái)看，實(shí)體構(gòu)建中鋼板與混凝土的節(jié)點(diǎn)共享需要考慮粘結(jié)和滑動(dòng)影響，根據(jù)混凝土的單元考慮，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度95 cm，寬度38 cm，便于填充物料，也便于控制外立長(zhǎng)度與硬度，考慮混凝土的開裂及壓潰方法，鋼板采用三維4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)比較合理，應(yīng)力變化根據(jù)殼單位線性分析的具體情況考慮殼的單元厚度變化與具體壓載變動(dòng)，根據(jù)混凝土實(shí)體單元與鋼板殼單元鏈接部位進(jìn)行剛性鏈接，建模時(shí)考慮單元與實(shí)體單元的共同節(jié)點(diǎn)特性，按照殼單元進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，實(shí)體單元為節(jié)點(diǎn)沿用，還需要注意主節(jié)點(diǎn)的自由度與節(jié)點(diǎn)順序，建立剛性自主生成約束方程［3］，建立主節(jié)點(diǎn)的自由度與從節(jié)點(diǎn)的Ux和Uz的約束方程。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試件材料及制作

試驗(yàn)用的鋼管為廣東佛山晉和鋼材廠生產(chǎn)的無(wú)縫鋼管，材質(zhì)Q235/Q345，鋼管切割采用G4025臥式帶鋸床切割，六邊形鋼管混凝土短柱采用鋼管邊長(zhǎng)90 mm，鋼管厚度9.0 mm，鋼材采用的強(qiáng)度為350 MPa，混凝土為 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)配置的選用材質(zhì)，具體配料為：525號(hào)硅酸鹽水泥，石灰?guī)r碎石直徑最大25 mm，中度粗砂，砂率0.45，F(xiàn)DN高效減水劑，制作了3個(gè)同類長(zhǎng)度950 mm，寬度380 mm的鋼板混凝土短柱［4］（表1）。

選用這種材質(zhì)的配合技術(shù)使用試驗(yàn)，因?yàn)檫@是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)，有著施工速度快、施工 Prefabricated Cage System PCS 質(zhì)量容易控制、延性好和耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的各種構(gòu)件中。當(dāng)柱體混凝土受力開裂進(jìn)入彈塑性狀態(tài)后，由于混凝土的橫向變形恢復(fù)很少，則引起鋼板箍橫向應(yīng)變的積累，伴隨著產(chǎn)生了豎向應(yīng)變的積累，同時(shí)，鋼板箍對(duì)柱體混凝土的橫向約束也有一個(gè)積累［5］。

2.2 試驗(yàn)加在及量測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)過程中，加載分級(jí)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果每一級(jí)增加預(yù)計(jì)極限荷載1/10，根據(jù)增加的每級(jí)進(jìn)行儀表的記錄，持續(xù)增加荷載5～10 min，進(jìn)行下級(jí)加載，荷載達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值的0.5倍時(shí)達(dá)到極限荷載，每級(jí)加載減到荷載值的1/20進(jìn)行增加，增加繼續(xù)持續(xù)5min結(jié)束。加載安裝位置情況以及荷載增加施加具體情況如圖2、圖3所示。

根據(jù)臨近的極限值荷載能力，判斷最小和最大的荷載能力，隨著慢慢增加和縮小的增加幅度來(lái)看，能夠承擔(dān)壓力的短柱外立和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都承擔(dān)了受力效果，在試件上也能夠等待安裝結(jié)束后，進(jìn)行預(yù)壓2～3次，測(cè)定其具體應(yīng)變情況，直到試件中部位置對(duì)稱的應(yīng)變片得到縱向拉伸，縱向應(yīng)邊值得到記錄，相差不超過15%，否則會(huì)面臨斷裂風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)定其變化相應(yīng)數(shù)值后，試件中部位置對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片需要一直保持幾何位置居中、對(duì)稱，以此提升試件對(duì)受壓結(jié)果的滿負(fù)荷承壓，在3根鋼板建筑混凝土短柱軸承壓力數(shù)值結(jié)果的統(tǒng)計(jì)如表2所示。

根據(jù)表內(nèi)記錄信息可以看出，實(shí)驗(yàn)短柱1～3的實(shí)測(cè)屈伸度荷載（Nsc）分別是2 955/2 987/2 677 kW，實(shí)測(cè)極限荷載數(shù)值（Ns）分別是3 451/3 677/3 011 kW，實(shí)測(cè)極限壓縮應(yīng)變數(shù)值（g～）分別是1.65%/1.24%/0.99% kW，根據(jù)這些數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)短柱在承載力的試驗(yàn)中，功能得到了肯定，應(yīng)邊值和預(yù)計(jì)發(fā)生值保持在同一位置范圍內(nèi)，可以看出其試驗(yàn)效果符合要求［8］。

3 數(shù)值模擬

3.1 荷載位移曲線

根據(jù)上述建立的有限元數(shù)值分析模型，對(duì) 實(shí)驗(yàn)短柱1～3共3根鋼板短柱進(jìn)行數(shù)值模擬，其荷載位移曲線如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知：荷載位移曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模擬結(jié)果基本吻合。說(shuō)明文中所建立鋼板籠混凝土短柱有限元模型是有效的，選用材料和本構(gòu)是合理的。從圖4可知：鋼板混凝土短柱承載力隨著配箍特征值的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這是由于在軸向荷載作用下，鋼板與混凝土同時(shí)受力產(chǎn)生縱向壓縮變形，而材料的泊松效應(yīng)，導(dǎo)致橫向產(chǎn)生變形，當(dāng)核心混凝土橫向變形大于鋼板橫向變形，此時(shí)鋼板產(chǎn)生橫向約束，阻礙混凝土向外擴(kuò)張，在核心混凝土與鋼板間產(chǎn)生相互作用的約束應(yīng)力，鋼板與混凝土進(jìn)入共同工作階段．隨著配箍率的增加，核心區(qū)混凝土更接近三向受壓，其軸心抗壓強(qiáng)度不斷提高，相應(yīng)的極限荷載對(duì)比狀況如圖5中3根短柱承載力綜合視圖所示。

3.2 混凝土短柱軸壓承載力數(shù)值

構(gòu)建3個(gè)試件鋼板混凝土短柱有限元模型分析中，實(shí)驗(yàn)短柱1的數(shù)值曲線擬合度表現(xiàn)最好，試驗(yàn)破壞效果較為明顯，但是1號(hào)模型的混凝土強(qiáng)度表現(xiàn)優(yōu)秀，現(xiàn)針對(duì)1號(hào)模型的變形圖與應(yīng)力圖進(jìn)行細(xì)分拆解給出對(duì)比分析，如圖6所示。

在圖中，圖6（a）位試驗(yàn)變形圖構(gòu)件原貌記錄，可以看出其變形的具體情況與鋼板混凝土的包裹緊密度及承載情況；圖6（b）中記錄了矢量變形的具體情況，矢量變形的具體情況登記深色受壓力最強(qiáng)，隨著顏色變淺受壓逐漸減小，可以發(fā)現(xiàn)其受力結(jié)構(gòu)由上向下逐漸變??；圖6（c）中表現(xiàn)了鋼板應(yīng)力結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出鋼板的藍(lán)色部分為應(yīng)力最大部分，屈服荷載值達(dá)到了290.45 MPa，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)短柱1的極限荷載值為28.33 MPa，鋼板的縱向?qū)崪y(cè)屈服強(qiáng)度為289.44 MPa，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值結(jié)果接近且體現(xiàn)較好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)果分析

構(gòu)建混凝土材料非線性ANSYS有限元模型中鋼板混凝土短柱的仿真模擬試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比，得到了鋼板配箍環(huán)境下混凝土短柱的軸壓承載力的性能影響及分析結(jié)果：實(shí)驗(yàn)短柱1～3的實(shí)測(cè)屈伸度荷載（Nsc）分別是2 955/2 987/2 677 kN，實(shí)測(cè)極限荷載數(shù)值（Ns）分別是3 451/3 677/3 011 kN，實(shí)測(cè)極限壓縮應(yīng)變數(shù)值（g～）分別是1.65%/1.24%/0.99%，根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出實(shí)驗(yàn)短柱在承載力的試驗(yàn)中，功能得到了肯定，應(yīng)邊值和預(yù)計(jì)發(fā)生值保持在同一位置范圍內(nèi)，可以看出其試驗(yàn)效果符合要求。數(shù)值模擬結(jié)果曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線基本吻合，鋼板及核心區(qū)混凝土的最大應(yīng)力較為接近，說(shuō)明該模型可以有效模擬鋼板混凝土短柱軸壓受力性能；另外隨著配箍率的增加，鋼板間距減小，鋼板混凝土短柱承載力逐漸增大，混凝土約束增強(qiáng)，核心區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度也得到提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大的發(fā)展進(jìn)程中，建筑技術(shù)更新?lián)Q代速度變得越來(lái)越快，建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善也變得越來(lái)越嚴(yán)格。建立和開展混凝土材料非線性ANSYS有限元模型試驗(yàn)，有助于建筑業(yè)環(huán)境下對(duì)鋼板混凝土短柱進(jìn)行大批量使用及投入實(shí)踐場(chǎng)所應(yīng)用。一方面能夠展現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板配箍混凝土短柱壓承載力的強(qiáng)大支撐能力；另一方面能夠體現(xiàn)出較為準(zhǔn)確的軸向受壓荷載應(yīng)變能力，讓有限元ANSYS的功能更好地發(fā)揮出來(lái)，配合建筑專業(yè)提升試件的適用性，驗(yàn)證其價(jià)值，在未來(lái)的研究中也要繼續(xù)開展各項(xiàng)短柱壓力承載實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)更好的試件投入實(shí)踐，這一點(diǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

［1］ 董軍鋒，王耀南，昝帥.超聲波檢測(cè)矩形鋼管混凝土脫空缺陷的研究［J］.建筑科學(xué)， 2018（1）：100-103.

［2］ 朱紅兵，袁強(qiáng)松，向杰，等. 鋼管微膨脹輕骨料混凝土膨脹性能試驗(yàn)研究［J］.四川建筑科學(xué)研究， 2017（3）：30-35.

［3］ 劉勁，丁發(fā)興，龔永智，等. 圓鋼管混凝土短柱局壓力學(xué)性能研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015（11）：70-74.

［4］ 文竹，楊有福.矩形鋼管混凝土橫向局壓力學(xué)性能分析［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展， 2014（6）：105-108.

［5］ 賴春健.局部承壓矩形鋼管混凝土短柱力學(xué)性能研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)， 2015（4）：65-69.