轴心受压方钢管混凝土短柱极限承载力影响因素研究

2020-07-20朱兵,王昌

四川建筑 2020年2期

关键词：钢管构件数值

朱兵, 王昌

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

方钢管混凝土柱是一种新型的钢混凝土组合柱，其截面形式如图1所示。由于方钢管对核心混凝土的约束作用相当于间距等于零的箍筋对混凝土的约束作用，所以其承载力明显比普通混凝土高出许多。

图1 方钢管混凝土柱截面示意

国内外的科研工作者也分别对圆形和方形钢管混凝土柱不同受力性能进行了试验和有限元分析。

目前，对方钢管混凝土在ABAQUS中进行模拟时的参数选取对数值分析的影响没有考虑，本文鉴于此，分析了ABAQUS中参数取值对数值分析的影响，同时验证了数值分析的可靠性。

1 材料本构关系模型

1.1 钢材材料模型

根据文献[6]，关于钢材本构模型的选取原则。对于Q235钢、Q345钢和Q390钢等建筑工程中常用的低碳软钢，钢材的应力-应变关系一般采用五阶段模型。

本模型所用钢管属于低碳软钢。因此采用五阶段模型本构，具体表达式参照文献[2][5][6]。

1.2 混凝土材料模型

目前，描述混凝土本构关系的模型较多，在本次分析中，采用文献[6]提出的核心混凝土等效应力-应变关系模型。

受拉区混凝土的应力-应变关系参考文献[5]。

混凝土采用塑性损伤模型，损伤因子的取值参照文献[7-10]。采用Britel和Mark提出的公式来计算混凝土拉压状态下的损伤系数dt和dc。

根据文献[11]中的建议，当bt=0.4,bc=0.7时，计算结果与通过试验得出的结果能很好地吻合。

CDP模型参照文献[12]，膨胀角取30 °，塑性势偏心率取0.1，双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度比值取1.16，拉伸子午面上和压缩子午面上的第二应力不变量比值取2/3，粘性系数取0.000 5。本文参考文献[13]取核心钢管混凝土区混凝土的刚度权恢复系数wc=0.2,wt=0.0。

参考文献[7]，因为混凝土应力-应变关系是根据大量的拉伸和压缩试验结果拟合而来，所以其应力应变的数据为名义应力值为了能准确地描述大变形过程中截面面积的改变，需要使用真实应力σture和真实应变εture，两者间相应的换算公式如下：

1.3 刚度大的弹性材料

数值模拟时，加载板采用刚度很大的弹性材料，弹性模量定义为1×1012MPa，泊松比定义为0.000 1。

2 有限元建模

本文利用有限元软件ABAQUS建模。构件底部固定端设置刚性端板，约束6个自由度，构件顶部也设置刚性端板防止应力集中，设置参考点RP1并与构件顶部端板耦合，在参考点上约束除U3方向的平动自由度以外的其他所有自由度。本文通过参考点进行位移加载，收敛性较好。

外部方钢管采用壳单元S4R模拟，核心混凝土，刚性端板采用三维实体单元C3D8R模拟，钢材采用ABAQUS提供的各项同性弹塑性模型，服从VonMises屈服准则。钢材在弹性阶段的弹性模量取206 000MPa，泊松比取0.3。混凝土采用塑性损伤模型来模拟加载下的性能。混凝土弹性阶段的泊松比取0.2。

钢管和刚性端板采用Shell-to-SolidCoupling连接，刚性端板和核心混凝土采用Tie约束，钢管内部和核心混凝土之间分别设置接触：法向采用硬接触，切向采用库伦摩擦，摩擦系数取值参照文献[14]取值0.6。刚性端板厚度取为10mm。

混凝土轴压强度不同表示值之间的近似对应关系参考文献[6]。

3 模型验证

为验证有限元模型的合理性，本文采用数值方法对刘威(2005)[2]的6个方钢管混凝土柱的试验构件的部分试件进行模拟计算，表1为方钢管混凝土构件的有关参数，图2～图4为试验结果曲线和有限元结果曲线的对比图。

表1 方钢管混凝土柱轴压构件参数

图2 SU-017°

图3 SU-022°

图4 SU-150°

4 参数分析

对于方钢管混凝土轴压构件而言，影响其载荷-位移曲线的因素有方钢管混凝土的宽度，方钢管的厚度，钢材的屈服强度以及核心混凝土的圆柱体抗压强度。通过大型通用有限元软件ABAQUS来研究以上因素对方钢管混凝土轴压构件的载荷-位移曲线的影响。同时研究ABAQUS有关参数取值对载荷-位移曲线的影响。典型轴压构件的基本数据为：B=127mm，t=7.47mm，L=609.6mm，fy=347MPa，fc=23.8MPa。

从图5(a)～5(e)中可以看出随着混凝土强度(fc)、钢管材料强度(fy)、方钢管混凝土宽度(B)、方钢管厚度(t)、粘性系数(μ)的增大，构件的抗压承载力明显增大，但对载荷-位移关系曲线的弹性阶段的影响并不明显。