钢骨T形钢管混凝土短柱有限元分析

2012-11-09余思平杜国锋李雪平长江大学城市建设学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2012年4期

余思平，杜国锋，李雪平，李佳 (长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023)

以试验研究为基础，利用大型有限元软件Abaqus对钢骨-T形钢管混凝土短柱轴压受力性能进行有限元模拟分析，得到短柱的荷载-位移曲线和钢管、钢骨以及混凝土的应力分布云图，并将有限元分析结果与试验结果进行对比，发现两者符合程度较好，证明了应用有限元软件Abaqus对钢骨-T形钢管混凝土柱进行理论分析的可行性，为进一步全面研究钢骨-异形钢管混凝土柱奠定了基础。

钢管混凝土柱；有限元分析；轴压性能

钢骨-T形钢管混凝土柱可以解决目前小高层建筑在重载作用下的普通钢筋混凝土柱承载力不足和延性较差的问题，其将柱子做成柱肢与墙等厚，截面形式为T形的异形柱，能有效避免柱角突出室内，并且由于钢管的约束作用使内填混凝土处于三向受力状态，钢骨能有效抑制延缓核心混凝土的剪切破坏，因而钢骨-T形钢管混凝土短柱在美化建筑、提高建筑使用功能的同时，其承载力和延性都能得到有效的提高。钢骨-T形钢管混凝土短柱轴向受压是全面研究钢骨-T形钢管混凝土柱力学性能的基础，笔者以试验结果为依据，采用有限元软件Abaqus对钢骨-T形钢管混凝土短柱轴压进行全过程的模拟分析，探讨其轴压力学性能。

1 试件参数

对1根无钢骨的T形钢管混凝土短柱和2根含不同厚度钢骨的T形钢管混凝土短柱进行模拟分析，构件尺寸参数如1所示，采用C50自密实混凝土，立方体抗压强度标准值为51.1MPa。钢管为无缝钢管，钢材型号为Q235，其相关参数如表2所示。有限元模型严格按照试验构件尺寸建立。

表1 构件尺寸参数

表2 钢材力学性能指标

2 试件有限元模型

1)钢材的本构模型钢材材质均匀，本构关系比较稳定，采用文献[1]提出的二次塑流模型，将应力-应变关系分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段、强化和二次塑流5个阶段，具体表达式如下：

(1)

2)核心混凝土的本构模型采用Abaqus程序提供的塑性损伤模型。核心混凝土在钢管和钢骨的作用下处于三向受压状态，如何能反映出钢管对核心混凝土的约束作用是正确建立核心混凝土本构模型的关键。文献[2]对T、十字形的钢管混凝土短柱采用典型的混凝土单轴受压应力-应变模型进行了模拟分析，但其没能反映出钢管的套箍约束作用。为了在模拟分析不等边的T形钢管混凝土柱时，能正确反映出截面长宽比产生的钢管对核心混凝土的约束作用，依据文献[3]提出的等效约束效应系数ξBD，其适用于钢骨-T形钢管混凝土柱有限元模拟的本构模型如下：

(2)

混凝土单轴受拉应力-应变关系曲线采用文献[4]提出的公式：

(3)

3)有限元模型的建立钢管采用4节点壳单元S4R，钢骨和混凝土采用8节点实体单元C3D8R，短柱上下两端的盖板采用解析刚体来模拟。钢管内壁与核心混凝土间采用“小滑移”并考虑摩擦的面面接触单元，摩擦系数取0.25，法线方向采用“硬接触”传递荷载，钢骨与混凝土间采用粘结单元tie，使其共同工作。

约束情况如下：限制下端支座的全部自由度；固定上部盖板U1、U2方向上的位移，释放其转角位移。本次模拟采用位移加载，令上端刚体盖板下降10mm模拟试验中的轴压，采用牛顿法进行迭代计算。

3 有限元结果与分析

表3 试验值与模拟值比较

将有限元模拟分析得出的荷载-位移曲线和极限承载力与试验结果进行对比，如图1和表3所示。从图1可以看出，在加载初期，短柱各材料处于弹性阶段，柱子承载力随位移呈线性增加，超过弹性阶段以后，核心混凝土的微观裂缝不断发展扩大，短柱承载力呈非线性增加；当位移增加到4mm左右时，核心混凝土应力达到最大值，这时柱子承载力达到极限值，继续增加位移，核心混凝土开裂过大导致应力下降，柱子承载力开始下降，但由于钢管的约束作用，荷载-位移曲线呈较为平缓的下降趋势，表现出较好的延性性能。与无钢骨的柱子相比，带有钢骨的试件的承载力和延性都有明显提高。试验值与模拟值比较的结果是偏差在4%以内，说明两者符合较好(见表3)。

图2、3分别给出了试件在最后时刻的Mises应力分布云图。从图2可以看出，带钢骨的柱子的混凝土应变明显小于无钢骨的混凝土应变，说明在轴压过程中，钢骨为核心混凝土承担了一部分压力，减小了混凝土所受压力，抑制并延缓了核心混凝土的剪切破坏。从图3可以看出,柱子上端受位移约束条件的影响，柱顶和柱底所受的应力最大，使其表面的钢管先达到屈服而出现弯曲。T形柱在轴压过程中，随着荷载增大，柱子逐渐转变为偏心受压状态，宽截面处由受压区逐渐转变为受拉区，柱子在宽截面处出现了一道较为明显的屈曲半波，柱子窄截面顶部和底部各出现一道屈曲半波，这与试验现象相符(见图3(a))。加入钢骨后，钢管的应力分布更均匀，避免在轴压过程中过早地出现偏心受压，使钢管、混凝土和钢骨能更好地协同工作，从而提高其承载力(见图3(b))。在T形柱横向肢中，由于核心混凝土所受钢管约束不对称，故在钢管破坏时，由于弓弦效应使窄截面处所受约束较小的一侧发生较大变形[5]，出现钢管在严重鼓起一侧发生应变小的现象(见图3(c))。