基于有限元分析的建筑混凝土短柱轴压承载力数值模拟

基于ANSYS有限元平台，考虑建筑混凝土短柱轴材料的几何参数与计算方法，建立有限元分析基础下的建筑混凝土短柱轴压承载力数值模型，在模型的基础上分析不同配箍特征值下的建筑混凝土短柱轴压承载的荷载位移曲线，设定标准值以及设定混凝土受压强度，对所建立的有限元混凝土短柱轴压承载的具体情况以及数值模型模拟进行可行性分析，通过试验结果与其具体的试验内容进行判断，提出试验结果吻合的比对方法及策略，给出个人看法以及检验说明。

有限元； 建筑混凝土； 短柱； 轴压承载； 数值模拟

TU311.41 A

［定稿日期］2021-12-06

［作者简介］杜政敏（1984—），女，在读本科，工程师，研究方向为工程管理。

随着我国建筑施工的发展，钢筋混凝土的新型混合结构组合体发展很快，建筑混凝土短柱轴压承载是以钢板为外部结构，其自身具有很强的稳定性，具有很强的应用价值。本文提出短柱轴承载力的有限元分析，以此在ANSYS软件基础上构建有限元分析，探讨建立数值模型的具体方向及可行性［1］。

1 有限元模型的构建

1.1 本构关系

设计有限元模型的构建，要考虑到本构关系的设计构造，根据有限元模型中的具体要素进行设计，钢板笼的设计为第一步，构建有限元模型确定钢板笼的结构，其本身属于一种闭合状态的容器，钢板笼设计有2种方法，一种是混合方法一体设计，另一个是混合方法分离设计。

本文用混合方法一体设计为主要思路，根据混凝土单轴受压应力与应变关系按GB 50010-2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》规定见式（1）。

当εc≤ε0时，

σc=fc［1-（1-εc/ε0）n］（1）

当ε0≤εc≤εcu时，

σc=fc

根据计算公式（1）的内容可以知道在模型结构构件中，采用一系列数据模拟拟合输入，按照非线性弹性材料的定义模型，采用多线性定向强化奠定应变力的计算方法，根据强化拉力的MISO模拟，输入混凝土弹性模量为试探性模量，EC=30 GPa，泊松比为0.2，破坏准则采用WIllam-Qwarnker五参数强度准则进行拟合度测试，按照此原则进行测试，实施混凝土张开裂缝的剪切传递系数0.6，所测试的闭合裂缝的剪切链接系数为1.0，钢板本身的应力值与应变变化关系根据上述计算公式计算，取得理想的弹性及延展性模型基础，在研究中根据双线性等强化模型BISO模拟，弹性向量Es=30 GPa，泊松比为0.4［2］。

1.2 单元选择

按试验结构的零部件尺寸和主要参数，建立ANSYS有限元模型，按照模拟图形中细节设计零部件，如图1所示。

根据需要考虑的混凝土三维8节点设計要素来看，实体构建中钢板与混凝土的节点共享需要考虑粘结和滑动影响，根据混凝土的单元考虑，设计长度95 cm，宽度38 cm，便于填充物料，也便于控制外立长度与硬度，考虑混凝土的开裂及压溃方法，钢板采用三维4节点设计比较合理，应力变化根据壳单位线性分析的具体情况考虑壳的单元厚度变化与具体压载变动，根据混凝土实体单元与钢板壳单元链接部位进行刚性链接，建模时考虑单元与实体单元的共同节点特性，按照壳单元进行主节点设计，实体单元为节点沿用，还需要注意主节点的自由度与节点顺序，建立刚性自主生成约束方程［3］，建立主节点的自由度与从节点的Ux和Uz的约束方程。

2 试验概况

2.1 试件材料及制作

试验用的钢管为广东佛山晋和钢材厂生产的无缝钢管，材质Q235/Q345，钢管切割采用G4025卧式带锯床切割，六边形钢管混凝土短柱采用钢管边长90 mm，钢管厚度9.0 mm，钢材采用的强度为350 MPa，混凝土为 试验现场配置的选用材质，具体配料为：525号硅酸盐水泥，石灰岩碎石直径最大25 mm，中度粗砂，砂率0.45，FDN高效减水剂，制作了3个同类长度950 mm，宽度380 mm的钢板混凝土短柱［4］（表1）。

选用这种材质的配合技术使用试验，因为这是一种新型的混凝土结构，有着施工速度快、施工 Prefabricated Cage System PCS 质量容易控制、延性好和耗能能力强等优点，可以广泛应用于混凝土结构的各种构件中。当柱体混凝土受力开裂进入弹塑性状态后，由于混凝土的横向变形恢复很少，则引起钢板箍横向应变的积累，伴随着产生了竖向应变的积累，同时，钢板箍对柱体混凝土的横向约束也有一个积累［5］。

2.2 试验加在及量测结果

试验过程中，加载分级进行测量结果的测试，根据测试结果每一级增加预计极限荷载1/10，根据增加的每级进行仪表的记录，持续增加荷载5～10 min，进行下级加载，荷载达到标准值的0.5倍时达到极限荷载，每级加载减到荷载值的1/20进行增加，增加继续持续5min结束。加载安装位置情况以及荷载增加施加具体情况如图2、图3所示。

根据临近的极限值荷载能力，判断最小和最大的荷载能力，随着慢慢增加和缩小的增加幅度来看，能够承担压力的短柱外立和内部结构都承担了受力效果，在试件上也能够等待安装结束后，进行预压2～3次，测定其具体应变情况，直到试件中部位置对称的应变片得到纵向拉伸，纵向应边值得到记录，相差不超过15%，否则会面临断裂风险，测定其变化相应数值后，试件中部位置对应的应变片需要一直保持几何位置居中、对称，以此提升试件对受压结果的满负荷承压，在3根钢板建筑混凝土短柱轴承压力数值结果的统计如表2所示。

根据表内记录信息可以看出，实验短柱1～3的实测屈伸度荷载（Nsc）分别是2 955/2 987/2 677 kW，实测极限荷载数值（Ns）分别是3 451/3 677/3 011 kW，实测极限压缩应变数值（g～）分别是1.65%/1.24%/0.99% kW，根据这些数值统计结果可以看出实验短柱在承载力的试验中，功能得到了肯定，应边值和预计发生值保持在同一位置范围内，可以看出其试验效果符合要求［8］。

3 数值模拟

3.1 荷载位移曲线

根据上述建立的有限元数值分析模型，对 实验短柱1～3共3根钢板短柱进行数值模拟，其荷载位移曲线如图4、图5所示。

由图4、图5可知：荷载位移曲线的实验结果与计算模拟结果基本吻合。说明文中所建立钢板笼混凝土短柱有限元模型是有效的，选用材料和本构是合理的。从图4可知：钢板混凝土短柱承载力随着配箍特征值的增加呈现增长趋势，这是由于在轴向荷载作用下，钢板与混凝土同时受力产生纵向压缩变形，而材料的泊松效应，导致横向产生变形，当核心混凝土横向变形大于钢板横向变形，此时钢板产生横向约束，阻碍混凝土向外扩张，在核心混凝土与钢板间产生相互作用的约束应力，钢板与混凝土进入共同工作阶段．随着配箍率的增加，核心区混凝土更接近三向受压，其轴心抗压强度不断提高，相应的极限荷载对比状况如图5中3根短柱承载力综合视图所示。

3.2 混凝土短柱轴压承载力数值

构建3个试件钢板混凝土短柱有限元模型分析中，实验短柱1的数值曲线拟合度表现最好，试验破坏效果较为明显，但是1号模型的混凝土强度表现优秀，现针对1号模型的变形图与应力图进行细分拆解给出对比分析，如图6所示。

在图中，图6（a）位试验变形图构件原貌记录，可以看出其变形的具体情况与钢板混凝土的包裹紧密度及承载情况；图6（b）中记录了矢量变形的具体情况，矢量变形的具体情况登记深色受压力最强，随着颜色变浅受压逐渐减小，可以发现其受力结构由上向下逐渐变小；图6（c）中表现了钢板应力结构图，从图中可以看出钢板的蓝色部分为应力最大部分，屈服荷载值达到了290.45 MPa，通过试验数据获得的实验短柱1的极限荷载值为28.33 MPa，钢板的纵向实测屈服强度为289.44 MPa，试验数据与数值结果接近且体现较好的稳定性。

4 结果分析

构建混凝土材料非线性ANSYS有限元模型中钢板混凝土短柱的仿真模拟试验，通过数據对比，得到了钢板配箍环境下混凝土短柱的轴压承载力的性能影响及分析结果：实验短柱1～3的实测屈伸度荷载（Nsc）分别是2 955/2 987/2 677 kN，实测极限荷载数值（Ns）分别是3 451/3 677/3 011 kN，实测极限压缩应变数值（g～）分别是1.65%/1.24%/0.99%，根据数值统计结果可以看出实验短柱在承载力的试验中，功能得到了肯定，应边值和预计发生值保持在同一位置范围内，可以看出其试验效果符合要求。数值模拟结果曲线与试验数据曲线基本吻合，钢板及核心区混凝土的最大应力较为接近，说明该模型可以有效模拟钢板混凝土短柱轴压受力性能；另外随着配箍率的增加，钢板间距减小，钢板混凝土短柱承载力逐渐增大，混凝土约束增强，核心区混凝土抗压强度也得到提高。

5 结束语

在我国建筑业发展规模日益扩大的发展进程中，建筑技术更新换代速度变得越来越快，建筑相关标准的完善也变得越来越严格。建立和开展混凝土材料非线性ANSYS有限元模型试验，有助于建筑业环境下对钢板混凝土短柱进行大批量使用及投入实践场所应用。一方面能够展现高强度钢板配箍混凝土短柱压承载力的强大支撑能力；另一方面能够体现出较为准确的轴向受压荷载应变能力，让有限元ANSYS的功能更好地发挥出来，配合建筑专业提升试件的适用性，验证其价值，在未来的研究中也要继续开展各项短柱压力承载实验，发现更好的试件投入实践，这一点具有重要意义。

参考文献

［1］ 董军锋，王耀南，昝帅.超声波检测矩形钢管混凝土脱空缺陷的研究［J］.建筑科学， 2018（1）：100-103.

［2］ 朱红兵，袁强松，向杰，等. 钢管微膨胀轻骨料混凝土膨胀性能试验研究［J］.四川建筑科学研究， 2017（3）：30-35.

［3］ 刘劲，丁发兴，龚永智，等. 圆钢管混凝土短柱局压力学性能研究［J］.湖南大学学报（自然科学版）， 2015（11）：70-74.

［4］ 文竹，杨有福.矩形钢管混凝土横向局压力学性能分析［J］.建筑钢结构进展， 2014（6）：105-108.

［5］ 赖春健.局部承压矩形钢管混凝土短柱力学性能研究［J］.钢结构， 2015（4）：65-69.