型鋼混凝土異形柱有限元建模研究

侯 衛，郝 麗，周雪峰

(1．西安工業大學 建筑工程學院，陜西 西安 710032;2．中聯西北工程設計研究院，陜西 西安 710032)

型鋼混凝土異形柱有限元建模研究

侯 衛1，郝 麗2，周雪峰1

(1．西安工業大學 建筑工程學院，陜西 西安 710032;2．中聯西北工程設計研究院，陜西 西安 710032)

采用ANSYS軟件對型鋼混凝土異形柱試件的受力性能進行了非線性有限元數值分析，對型鋼混凝土結構數值模擬中混凝土和鋼材模型的定義、有限元建模、鋼筋單元生成及后處理等關鍵技術進行系統研究，提出了一種快速建立型鋼混凝土異形柱有限元模型的方法，以避免MESH過程中產生的單元不共用節點、劃分網格錯誤等所帶來的模型不收斂。模型應用表明，型鋼、縱筋、箍筋以及混凝土單元應力、應變分布及發展過程數值模擬結果與理論分析結果吻合較好。

型鋼混凝土 異形柱 有限元分析

把柱的截面設計成“L”，“T”及“+ ”字形，使填充墻與柱肢同厚，形成異形柱體系，柱處不出現凸出的棱角，可顯著提高空間利用率。普通鋼筋混凝土異形柱雖然具有建筑功能以及美學的優越性，但是由于其軸壓比限制低，抗震能力差，施工復雜，并且難以保證節點處施工質量，很難在工程中推廣。型鋼混凝土由于在截面中配置了型鋼，可使構件承載力、剛度顯著提高，能夠廣泛應用于高層建筑，并且型鋼混凝土具有很好的延性和耗能能力，適于地震區應用。

我國現有的型鋼混凝土結構設計規程尚不完善，計算理論還存在較多簡化。因此，為較準確了解型鋼混凝土結構構件受力性能，需要通過大量試驗和有限元數值模擬進行結構分析。試驗雖然不可替代，但是由于其成本高，周期長，并不能大規模地進行，因此，本文采用ANSYS對型鋼混凝土異形柱進行有限元數值模擬分析，并且與試驗數據進行對比，以驗證數值分析的可行性與準確性。

目前型鋼混凝土的有限元分析還不完善，尤其是型鋼混凝土異形柱這種截面形式不規則、配鋼復雜、構件單元類型多。大部分文獻僅給出了它的整體式實體建模，雖然也能夠模擬構件，但是建模復雜、劃分網格復雜并且不容易收斂。本文提出一種快速建立分離式有限元模型的方法，經驗證能夠較好地與試驗結果相吻合。

1 型鋼混凝土異形柱構件參數

本文所采用的型鋼混凝土異形柱試件的加載方式及縱向尺寸見圖1，試件截面見圖2，截面各部分尺寸和含鋼率見表1。

圖1 柱試件加載示意(單位:mm)

圖2 L/T截面配T形鋼(單位:mm)

表1 型鋼混凝土異形柱的截面尺寸

混凝土強度等級采用C30;翼緣型鋼屈服強度為385 MPa，極限強度為565 MPa;腹板型鋼屈服強度為290 MPa，極限強度為435 MPa;縱筋和箍筋的強度分別為360和245 MPa。

2 ANSYS分析模型

型鋼混凝土異形柱建模時，由于截面形狀不規則，并且構件中含有縱向鋼筋、箍筋、不同形式的型鋼、具有離散性質的混凝土等多種材料，加載后容易出現不收斂，所以，在建模之前應對單元類型、材料參數等進行全面分析。

2.1 單元模型

2.1.1 混凝土單元

混凝土采用ANSYS單元庫自帶的八結點六面體單元即Solid65單元。每個節點有3個自由度，即x，y，z 3個方向的線位移。該實體模型可具有拉裂與壓碎的性能。在混凝土的應用方面用單元的實體性能來模擬混凝土。

2.1.2 鋼筋單元

鋼筋單元在與混凝土組合后，無論是模型的網格劃分還是分析鋼筋內力都需要考慮到兩者的相互作用。鋼筋與混凝土的組合建議采用分離式模型，位移協調。把鋼筋和混凝土作為兩個單元進行建模，單元之間共用節點，以實現整體工作過程中自由度的耦合。兩者的剛度矩陣是分開來求解的。考慮到鋼筋是一種細長材料，通常可以忽略其橫向抗剪強度，因此可以將鋼筋作為線單元處理，采用空間桿單元Link8建立鋼筋單元。其優點是建模比較方便，可以任意布置鋼筋并可直觀獲得鋼筋的內力。

2.1.3 型鋼和墊塊單元

型鋼和墊塊單元均采用三維實體結構Solid45實體單元模擬。

2.2 材料特性

2.2.1 混凝土材料特性

1)本構關系

通過對比分析，混凝土的本構關系采用Saenz模型，即單向應力狀態下應力增量與應變增量之間的關系，如圖3所示。這一模型能很好地反映混凝土的σ－ε曲線，并且能較好地模擬混凝土的下降段。

圖3 混凝土本構關系示意

2)破壞準則

在ANSYS程序中，混凝土的破壞準則采用Willam-Warnke 5參數破壞模型。

3)使用方法和輸入參數

張開裂縫的剪力傳遞系數βt對計算結果影響較大，其值在0～1之間。對于型鋼混凝土異形柱建議取0.35～0.45。閉合裂縫的剪力傳遞系數βc一般取0.7～0.9。

2.2.2 鋼材材料特性

型鋼混凝土結構數值模擬中型鋼和鋼支座墊板的本構關系采用多線性隨動強化模型(MKIN)，此模型為多線性的應力—應變曲線，模擬隨動強化效應，并且考慮包辛格效應。此模型適用于服從Mises屈服準則的小應變分析，所以作為型鋼和鋼支座的材料模型比較真實。型鋼和墊塊采用單軸應力—應變關系，為多折線型，見圖4(a);縱筋和橫向箍筋采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，單軸應力—應變關系為理想彈塑性模型，見圖4(b)。

圖4 材料應力—應變關系

2.3 網格劃分及單元生成

首先直接創建節點，然后通過節點來創建單元，從平面到空間，直接形成有限元模型的節點和單元。型鋼混凝土異形柱中，由于單元類型較多，并且截面形式復雜，因此雖然幾何建模容易，但是對幾何體劃分單元時，不容易劃分均勻，從而導致結果不真實。所以本文采用這種直接方法建立有限元模型，能夠更好地控制網格劃分大小和數目，以得到理想的網格。

直接法在建立單元之前，必須定義并向程序聲明所要創建的單元屬性，包括單元類型、實常數、材料特性、單元坐標系等。

3 計算結果分析

3.1 數值模擬結果分析

模擬計算時根據試驗建立完整模型，施加位移約束，設定計算控制參數和計算步驟后按位移進行加載。型鋼混凝土異形柱模型計算結果均收斂良好，數值模擬結果見表2。

表2 型鋼混凝土異形柱模擬計算結果

3.2 型鋼應力和應變

圖5為型鋼混凝土異形柱型鋼最大主應力云圖。從圖中可看出，施加位移處型鋼翼緣應力增大，并逐漸屈服，然后受壓區型鋼翼緣下部逐漸屈服，但中間腹板并未屈服。試件的破壞是由受壓區和受拉區混凝土破壞控制。當達到極限荷載，相應的受拉區主筋、型鋼翼緣和受壓區主筋、型鋼翼緣應力均下降到一定水平。

圖5 型鋼最大主應力云圖(單位:MPa)

3.3 混凝土應力分布

圖6為加載開始階段和結束階段型鋼混凝土異形柱跨中截面混凝土應力分布圖。從圖中可以看出，從最開始加載，柱子表現出偏心受壓的受力狀態，翼緣受拉，腹板受壓。由于腹板面積較小，即受壓面積小，腹板混凝土漸趨于屈服進而達到極限，截面中和軸向翼。前緣靠近，使截面受壓面積逐漸增大。

圖6 混凝土主應力分布變化云圖(單位:MPa)

4 結語

采用本文的有限元模型和建模方法，能夠較快地建立型鋼混凝土異形柱模型。通過對型鋼混凝土異形柱中材料屬性、本構關系和單元類型的合理選擇，型鋼、縱筋、箍筋以及混凝土單元應力、應變分布及發展過程數值模擬結果與理論分析結果吻合較好。

［1］趙鴻鐵．鋼與混凝土組合結構［M］．北京:科學出版社，2001．

［2］楊勇，郭子雄，聶建國，等．型鋼混凝土結構 ANSYS數值模擬技術研究［D］．西安:西安建筑科技大學，2006．

［3］尚曉江，邱峰，趙海峰．ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用［M］．北京:中國水利水電出版社，2008．

［4］龍躍凌，金雪峰．方形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲的有限元分析［J］．鐵道建筑，2010(7):138-139．

TU502+．6;TU528．571

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．51

1003-1995(2013)04-0166-03

2012-12-20;

2013-01-16

陜西省科學技術研究發展計劃項目(2010K07-073);西安工業大學校長基金(XAGDXJJ-06026)

侯衛(1975— )，男，陜西西安人，講師，碩士。

(責任審編 李付軍)