鋼骨T形鋼管混凝土短柱有限元分析

余思平，杜國鋒，李雪平，李 佳 (長江大學城市建設學院,湖北 荊州 434023)

余思平，杜國鋒，李雪平，李 佳 (長江大學城市建設學院,湖北 荊州 434023)

以試驗研究為基礎，利用大型有限元軟件Abaqus對鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸壓受力性能進行有限元模擬分析，得到短柱的荷載-位移曲線和鋼管、鋼骨以及混凝土的應力分布云圖，并將有限元分析結果與試驗結果進行對比，發現兩者符合程度較好，證明了應用有限元軟件Abaqus對鋼骨-T形鋼管混凝土柱進行理論分析的可行性，為進一步全面研究鋼骨-異形鋼管混凝土柱奠定了基礎。

鋼管混凝土柱；有限元分析；軸壓性能

鋼骨-T形鋼管混凝土柱可以解決目前小高層建筑在重載作用下的普通鋼筋混凝土柱承載力不足和延性較差的問題，其將柱子做成柱肢與墻等厚，截面形式為T形的異形柱，能有效避免柱角突出室內，并且由于鋼管的約束作用使內填混凝土處于三向受力狀態，鋼骨能有效抑制延緩核心混凝土的剪切破壞，因而鋼骨-T形鋼管混凝土短柱在美化建筑、提高建筑使用功能的同時，其承載力和延性都能得到有效的提高。鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸向受壓是全面研究鋼骨-T形鋼管混凝土柱力學性能的基礎，筆者以試驗結果為依據，采用有限元軟件Abaqus對鋼骨-T形鋼管混凝土短柱軸壓進行全過程的模擬分析，探討其軸壓力學性能。

1 試件參數

對1根無鋼骨的T形鋼管混凝土短柱和2根含不同厚度鋼骨的T形鋼管混凝土短柱進行模擬分析，構件尺寸參數如1所示，采用C50自密實混凝土，立方體抗壓強度標準值為51.1MPa。鋼管為無縫鋼管，鋼材型號為Q235，其相關參數如表2所示。有限元模型嚴格按照試驗構件尺寸建立。

表1 構件尺寸參數

表2 鋼材力學性能指標

2 試件有限元模型

1)鋼材的本構模型 鋼材材質均勻，本構關系比較穩定，采用文獻[1]提出的二次塑流模型，將應力-應變關系分為彈性階段、彈塑性階段、塑性階段、強化和二次塑流5個階段，具體表達式如下：

(1)

2)核心混凝土的本構模型 采用Abaqus程序提供的塑性損傷模型。核心混凝土在鋼管和鋼骨的作用下處于三向受壓狀態，如何能反映出鋼管對核心混凝土的約束作用是正確建立核心混凝土本構模型的關鍵。文獻[2]對T、十字形的鋼管混凝土短柱采用典型的混凝土單軸受壓應力-應變模型進行了模擬分析，但其沒能反映出鋼管的套箍約束作用。為了在模擬分析不等邊的T形鋼管混凝土柱時，能正確反映出截面長寬比產生的鋼管對核心混凝土的約束作用，依據文獻[3]提出的等效約束效應系數ξBD，其適用于鋼骨-T形鋼管混凝土柱有限元模擬的本構模型如下：

(2)

混凝土單軸受拉應力-應變關系曲線采用文獻[4]提出的公式：

(3)

3)有限元模型的建立 鋼管采用4節點殼單元S4R，鋼骨和混凝土采用8節點實體單元C3D8R，短柱上下兩端的蓋板采用解析剛體來模擬。鋼管內壁與核心混凝土間采用“小滑移”并考慮摩擦的面面接觸單元，摩擦系數取0.25，法線方向采用“硬接觸”傳遞荷載，鋼骨與混凝土間采用粘結單元tie，使其共同工作。

約束情況如下：限制下端支座的全部自由度；固定上部蓋板U1、U2方向上的位移，釋放其轉角位移。本次模擬采用位移加載，令上端剛體蓋板下降10mm模擬試驗中的軸壓，采用牛頓法進行迭代計算。

3 有限元結果與分析

表3 試驗值與模擬值比較

將有限元模擬分析得出的荷載-位移曲線和極限承載力與試驗結果進行對比，如圖1和表3所示。從圖1可以看出，在加載初期，短柱各材料處于彈性階段，柱子承載力隨位移呈線性增加，超過彈性階段以后，核心混凝土的微觀裂縫不斷發展擴大，短柱承載力呈非線性增加；當位移增加到4mm左右時，核心混凝土應力達到最大值，這時柱子承載力達到極限值，繼續增加位移，核心混凝土開裂過大導致應力下降，柱子承載力開始下降，但由于鋼管的約束作用，荷載-位移曲線呈較為平緩的下降趨勢，表現出較好的延性性能。與無鋼骨的柱子相比，帶有鋼骨的試件的承載力和延性都有明顯提高。試驗值與模擬值比較的結果是偏差在4%以內，說明兩者符合較好(見表3)。

圖2、3分別給出了試件在最后時刻的Mises應力分布云圖。從圖2可以看出，帶鋼骨的柱子的混凝土應變明顯小于無鋼骨的混凝土應變，說明在軸壓過程中，鋼骨為核心混凝土承擔了一部分壓力，減小了混凝土所受壓力，抑制并延緩了核心混凝土的剪切破壞。從圖3可以看出,柱子上端受位移約束條件的影響，柱頂和柱底所受的應力最大，使其表面的鋼管先達到屈服而出現彎曲。T形柱在軸壓過程中，隨著荷載增大，柱子逐漸轉變為偏心受壓狀態，寬截面處由受壓區逐漸轉變為受拉區，柱子在寬截面處出現了一道較為明顯的屈曲半波，柱子窄截面頂部和底部各出現一道屈曲半波，這與試驗現象相符(見圖3(a))。加入鋼骨后，鋼管的應力分布更均勻，避免在軸壓過程中過早地出現偏心受壓，使鋼管、混凝土和鋼骨能更好地協同工作，從而提高其承載力(見圖3(b))。在T形柱橫向肢中，由于核心混凝土所受鋼管約束不對稱，故在鋼管破壞時，由于弓弦效應使窄截面處所受約束較小的一側發生較大變形[5]，出現鋼管在嚴重鼓起一側發生應變小的現象(見圖3(c))。

圖1 荷載-位移曲線試驗值與有限元模擬值比較

圖2 核心混凝土Mises應力分布云圖

圖3 外鋼管Mises應力分布云圖

4 結 論

1)通過有限元軟件Abaqus對1根T形鋼管混凝土短柱和2根鋼骨-T形鋼管混凝土短柱在軸壓荷載條件下得到的模擬值與試驗值對比相差不大，兩者符合較好，說明了利用Abaqus對T形鋼管混凝土柱軸壓性能模擬分析的可行性和準確性。

2)通過對鋼管、鋼骨和混凝土模擬結果的Mises應力應變云圖分析，并與試驗現象對比，驗證了有限元分析中采用的鋼材混凝土本構模型、鋼與混凝土接觸關系和邊界條件等的正確性。

3)通過有限元分析可知，在T形鋼管混凝土柱中加入工字型鋼骨可以有效提高柱子的承載力和延性。

[1]韓林海.鋼管混凝土結構-理論與實踐 [M].北京：科學出版社，2007.

[2]趙毅. 異型鋼管混凝土短柱軸壓短柱軸壓性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

[3]張繼成，沈祖炎，周海軍. L形鋼管混凝土抗震性能非線性有限元分析[J].工業建筑，2010,40(7)：85-90.

[4]丁發興，余志武.混凝土受拉力學性能統一計算方法[J].華中科技大學(城市科學版)，2004,21(3):29-34.

[5]崔來奇，徐亞豐. 軸心受壓T形鋼管混凝土芯柱受力性能研究[J].工業建筑，2009(18)：1475-1481.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.035

TU398.7

A

1673-1409(2012)02-N106-03

2011-11-13

湖北省教育廳科學研究計劃項目(Q20091210)；湖北省科技計劃項目(2010CDZ003)。

余思平(1986-)，男，2009年大學畢業，碩士生，現主要從事鋼管混凝土結構方面的研究工作。