钢管混凝土中的栓钉受力有限元模拟分析

(华南理工大学 土木与交通学院 广东 广州 510641)

引言

随着建筑的发展，钢管混凝土得到越来越多的运用。钢管混凝土可以很好的结合钢材及混凝土的优点，并且钢管的存在大大的提高了内部混凝土的受力性能。为了保证钢管与混凝土的协同工作，在设计中是设置抗剪连接件来实现，而栓钉是最常见的抗剪连接件。国内外学者已经对普通结构的栓钉抗剪承载力进行了大量研究，但对于不同结构形式下的栓钉承载力不尽相同，国内规范[1]大大低估了钢管混凝土的栓钉抗剪力大小，为此本文提出一种针对带栓钉的钢管混凝土推出试验的有限元模型，用于研究不同试件参数栓钉在推出试验中的受力及变形特性。

一、有限元模型

采用ABAQUS对设置栓钉的钢管混凝土推出试验进行有限元模拟，为了节约计算成本且考虑到试件的轴对称性质，建立1/4推出试件模型。

(一)材料本构。推出试件包含三个材料，栓钉、混凝土以及钢材，如何正确的采用准确的本构模型对整个推出实验的模拟至关重要。其中内部混凝土采用韩林海[2]建议的钢管中混凝土的本构，参见式(1)，

(1)

η=1.6+1.5/x;εc=(1300+12.5fc)×10-6με;

图1 混凝土受压应力-应变曲线

采用开裂能来模拟混凝土受拉，参见式(2)

(2)

式中，fcm=fck+8MPa

图2 钢材应力-应变模型

(二)单元模型

1.网格单元。钢管混凝土试件中包含3种单元，栓钉、钢管以及混凝土，皆采用实体单元C3D8R三维实体单元模拟，提高计算精度。并采用结构化(Structured)予以划分网格，因在实际工程中栓钉焊接在钢管上，所以在栓钉根部对单元进行加密处理，所建立典型模型参加图3。

图3 典型试件有限元模型

2.接触模拟

设置栓钉与钢管为一体，栓钉与混凝土的界面的法方向设置为“硬”接触，可以模拟栓钉与混凝土两表面的传递压力，且当压力大小为0或为负数时，两表面则分离结束无接触；切向方向采用库仑摩擦模型(“罚”接触)，摩擦系数设置为0.4。钢管与混凝土接触模型在栓钉与钢管接触模型的基础上，增加粘聚力接触模型(Cohesive Model)来模拟钢管与混凝土之间的化学胶结力以及部分机械咬合力，采用图4所示粘聚力本构曲线。

图4 粘聚力荷载-位移曲线

在位移到达S0之前，粘结强度一直上升，在相对滑移到达S0时粘结强度达到最大值，随后粘结强度随着相对滑移增大而增大，最终在相对滑移达到S1时，粘结强度降至为0。

参考文献[3]定义切向上升段刚度knn=ktt=kss=0.6Mpa(n为界面法方向，s、t为界面两切向方向)，根据不同的钢管及混凝土表面处理，极限粘结强度τmax取值不同。采用位移准则对粘聚力的损伤进行演化，即利用极限位移S1来定义粘聚力刚度损伤的下降阶段，取S1=3S0。

二、算例验证

本文利用陈宝春等[4]、任庆英等[5]中试验结果对本有限元模型进行验证，钢管截面分别为圆形及正方形，典型试件参数如图5。

(a)文献[4]试件I-2

(b)文献[5]试件5#

(一)破坏模式

文献[4]及[5]中，所有试件破坏模式皆为栓钉在根部被剪断，局部混凝土被压碎，钢管没有屈服。如图6所示，从加载后混凝土损伤图以及栓钉应力图可以很好的模拟出试件破坏后形态及分布。

图6 破坏对比图

(二)数据对比

从图7中I-2及2#模拟与试验荷载滑移曲线可以得到，试件破坏由弹性段、弹塑性段以及下降段组成，有限元结果可以很好的模拟出弹性段及弹塑性段(峰值位移前)，但进入下降段后，存在偏差，这是由于有限元软件不能很好的模拟栓钉断裂现象以及粘结接触破坏后的非线性行为，但整体上可以很好的模拟出变化趋势以及峰值位移。

图7 荷载-滑移曲线

下表1列出了栓钉抗剪承载力与试验对比，可以得出差值在5%左右，精度较高，可以很好的研究栓钉抗剪承载力大小。

表1 栓钉抗剪承载力对比 单位：KN

三、结论

采用软件ABAQUS建立的钢管混凝土中栓钉受力的三维实体有限元模型，考虑了材料及几何的非线性，利用了粘聚力接触模型(Cohesive Model)来模拟钢管与混凝土之间的化学胶结力，所得结果与试验符合较好，但因对粘聚力接触损伤未有精确建立，不能精确模拟出试件破坏后状态。提出的模型适用于研究分析钢管混凝土及钢-混凝土组合结构中栓钉连接件的承载能力及变形行为。