浅谈不同截面钢管混凝土轴心受压的有限元分析

混凝土与钢材至今为止仍是无可代替的，目前两者共同发展的方向主要是提高强度。但是，混凝土的强度越高，它的脆性也就越大。尤其在地震区，高强混凝土延性差的问题显得尤为突出，这就大大限制了它的推广与应用。钢一混凝土组合结构的出现正好解决了这些问题。它的优点在于能充分发挥钢材和混凝土这两种材料的各自优势，互相取长补短，使结构达到最好的各自性能。钢管混凝土结构，就是一种介于钢结构和钢筋混凝土结构之间的钢一混凝土组合结构，具有许多其它结构形式所不能比拟的优点。

钢管混凝土结构具有抗压承载力高、塑性和韧性好、耐火性能较好等一系列的优点，可提供极好的抗震性能。另外，在施工阶段省去了支模和拆模的工序，因而施工方便，施工周期短，经济效益好，具有广阔的发展前景。在近几十年来钢管混凝土发展迅速，在工业厂房、桥梁结构、地下结构、高层和超高层建筑中取得了良好的经济效益和建筑效果。

本文基于已有的研究成果，通过非线性有限元模拟软件分析钢管混凝土在轴压下的变化趋势，与相关实验数据进行比较分析，验证了有限元计算分析的可靠性。

一、钢管混凝土轴压破坏分析

钢管混凝土工作过程主要是：在施加外荷载的初期，由于钢管的泊松比大于混凝土的泊松比，外荷载小时混凝土初始横向变形不大，外钢管对其基本没有约束，它们之间应力的传递主要靠钢管内壁与混凝土内壁之间粘结来传递，两者基本上是单独工作的；随着外荷载的继续增加，当核心混凝土的横向变形达到一定值时，其泊松比也达到或接近钢管的泊松比，钢管壁将受到核心混凝土沿径向的压应力，同时钢管也对核心混凝土产生径向的压应力，此时外钢管对核心混凝土开始产生“约束作用”，而核心混凝土也对钢管起支撑作用，可防止管壁屈曲，此时才表现出来了钢管混凝土的优势；当外荷载达到钢管混凝土的极限状态时，钢管壁屈曲，核心混凝土压碎而宣告构件破坏。

由此可知当钢管混凝土构件的钢管壁发生局部屈曲时，钢管混凝土构件的承载力会受到其影响。这种影响主要体现在两方面：一方面是使的屈曲部位的钢管部分截面提前退出工作，另一方面是降低了钢管对混凝土的约束作用。总之，钢管混凝土构件的承载力会随着钢管管壁局部屈曲的发生而降低。其中因钢管部分截面提前退出工作而使得钢管承载力明显下降是导致钢管混凝土构件承载力下降的主要因素。另外，当钢管混凝土发生局部屈曲时钢管管壁和混凝土在局部屈曲部位的接触面会发生脱离，在外观的宏观表现为钢管管壁出现局部突出。根据局部屈曲作用对钢管混凝土的影响效应，我们可以在有限元分析中考查钢管混凝土是否发生局部屈曲。

二、有限元模型的分析与确定

1.材料的定义

材料的本构关系是材料在受力全过程中力与变形物理关系的描述，是材料内部微观机理的宏观行为表现，是结构强度和变形计算中必不可少的。钢管混凝土是由钢管和混凝土两种材料共同组成，在受力过程中两种材料相互作用，使得它们一般都处于复杂应力状态。为了分析钢管混凝土荷载的静力学性能及其影响参数，必须首先确定钢材和混凝土的本构模型以及钢管与混凝土界面的力学模型。

混凝土的本质特点是材料组成的不均匀性，且存在微裂缝。混凝土的应力应变关系是高度非线性的，且受其组成、成型工艺和使用环境的严重影响。特别是在复杂的应力状态和加载历史下，混凝土的本构关系会更加复杂。因此，虽然国内外不少学者进行了大量研究，建立混凝土破坏强度条件和令人满意的本构关系模型仍然处于探索的过程中。随着计算机的迅速发展，一些可用于有限元分析的较复杂的混凝土本构模型相继出现，并随着理论基础、实验研究的进展，使得混凝土有限元分析研究己进入相当实用的阶段。

在混凝土的本构关系上各国学者提出了很多模型，如损伤模型，弹塑性本构模型，内时本构模型，粘弹性和粘塑性本构模型等。本文采用塑性损伤本构模型。钢材的材料性质相对简单，采用VON.MISES准则，并考虑材料强化。

2.单元类型的选取

钢管采用四节点完全积分格式的壳单元（S4），为满足一定的计算精度，在壳单元厚度方向采用9个积分点的Simpson积分。S4属于一种通用的壳单元，即它允许沿厚度方向的剪切变形，随着壳厚度的变化，求解方法会自动服从厚壳理论或薄壳理论，当壳厚度很小时，剪切变形变得非常小。此外，S4考虑了有限薄膜应变和大转动，属于有限应变壳单元，因此它适于包含大应变的分析。

核心混凝土采用八节点缩减积分格式的三维实体单元（C3D8R）。

三、不同截面钢管混凝土轴压对比分析

保证了有限元模型的正确性和准确性基础上，分析了出现不完全吻合的一些影响因素。根据定义之后的数据进行有限元模型的建立，分别创建了方钢管混凝土和圆钢管混凝土两个有限元模型，通过对2种不同截面的模型加载，通过有限元模拟分析得出：

当宽厚比为20的时候，固结与摩擦所计算出的位移荷载曲线基本重合，这说明当宽厚比较小的时候，钢管混凝土柱的破坏机理是强度破坏，而不是因为屈曲造成的承载力下降，当宽厚比为50和100的时候，两种接触方式所造成的荷载位移曲线有较大不同：当载荷较小的时候两条曲线差距不大，当荷载较大的时候，构件发生屈曲，造成承载力降低，钢管与混凝土之间分离，构件随之发生屈曲破坏。根据有限元模型发生屈曲时的形态，表明构件都是受到轴向压力，发生向外鼓曲，因此这种破坏形式属于局部屈曲破坏。

四、结语

模拟钢管混凝土柱的建模过程中，钢管单元选用各向同性的弹塑性材料模型，满足VONMISES屈服准则，采用四节点完全积分格式的壳单元（S4R）混凝土单元采用损伤塑性模型，和八节点缩减积分格式的三维实体单元（C3D8R>，两者界面之间采用硬接触，采用库伦摩擦模型来模拟钢管与核心混凝土界面切向力的传递，结果表明这么选择对结果有较好的收敛性，验证了模型的正确性。

采用有限单元法模拟钢管混凝土轴向受压，对两种不同截面的钢管混凝土柱进行了研究，研究表明方钢管混凝土柱相对圆钢管混凝土柱达到屈曲后，承载力有一个明显的下降，因此圆钢管混凝土柱较之方钢管混凝土柱有较好的延性和抗变形能力。其于其他条件相同的钢管混凝土柱，构件截面宽（径）厚比越大，局部屈曲出现的就越早，也越容易发生屈曲。

作者简介：

杜煜（1986.01.10～ ），男，籍贯：湖北省竹山县，学历：硕士研究生，毕业院校：沈阳工业大学，现有职称：初级，研究方向：工程力学。