鋼管鋼纖維混凝土短柱軸壓性能的有限元分析

【摘要】：對3根鋼管混凝土試件（1根鋼管混凝土短柱和2根鋼管鋼纖維混凝土短柱）進行軸壓試驗。試驗結果表明：摻入鋼纖維能有效提高鋼管混凝土柱的延性，對其承載力的提高作用較小。在此基礎上，采用有限元軟件ABAQUS對鋼管鋼纖維高強混凝土短柱的軸心受壓性能進行有限元分析，實驗結果與有限元結果符合良好。

【關鍵詞】： 鋼管;鋼纖維高強混凝土;軸壓短柱;有限元

鋼管混凝土以其承載力高、塑性好、抗震性能好等優點在工程結構中得到了廣泛應用。研究表明，鋼管高強混凝土在軸壓和反復壓彎荷載作用時，當柱子的套箍指標較低或混凝土的強度較高時，鋼管混凝土構件在達到極限荷載時發生脆性破壞，延性并不理想。高強混凝土由于自身的特性使得在套箍系數相近的情況下，鋼管高強混凝土與鋼管普通強度混凝土的力學性能和破壞形態有較大差異，試件延性和破壞模式不僅受到鋼管壁厚的影響，核心混凝土強度的影響也較為顯著。基于此，本文將鋼纖維摻入到核心高強混凝土中，以亂向分布的鋼釬維形成介質物，通過介質物提高鋼管鋼纖維高強混凝土組合柱的力學性能。本文對鋼管鋼纖維高強混凝土短柱進行軸壓試驗，在試驗研究的基礎上，采用有限元軟件ABAQUS進行了非線性分析，比對試驗曲線和仿真模擬計算曲線，并針對其他參數進行有限元分析。

1 試驗概況

本次試驗共設計3根試件（1根鋼管高強混凝土短柱和2根鋼管鋼纖維高強混凝土短柱）。鋼管截面尺寸為Ф131mm×4mm。鋼管的屈服強度為300MPa，抗拉強度為416.9MPa。混凝土設計強度為C60，鋼纖維混凝土在基體素混凝土上通過高效減水劑的摻量來調整混凝土的工作性能，鋼纖維為切斷弓形鋼絲，其體積含量為0、0.6%、0.9%。外管壁有少許防銹漆、銹蝕層脫落，混凝土中微裂縫急劇發展，鋼管出現局部屈曲，核心混凝土發生剪切破壞，使得沿混凝土剪切滑移面的另一側鋼管發生凸曲。偶爾可以聽到鋼纖維被拉斷的聲音，直到試件產生過大的變形即停止試驗。

彈性階段，隨著鋼纖維摻量的增大，試件彈性階段可延長到0.8Nu，這主要是因為核心混凝土內部裂縫截面處原來基體承擔的荷載部分或全部傳遞給跨越裂縫或裂縫周圍的鋼纖維，亂向分布短鋼纖維形成牢固的纖維網抑制了裂縫的進一步擴展。當荷載值超過比例極限后，試件即進入彈塑性發展階段。彈塑性階段荷載-位移曲線成非線性發展，在裂縫截面處，隨著荷載的繼續加大，當鋼纖維承擔的荷載值超過其極限抗拉強度而被拉斷或拔出時，裂縫進一步擴展，核心混凝土的整體性受到破壞，導致鋼管與核心混凝土之間的受力不斷發生變化，鋼管對核心混凝土的約束作用不斷增強，混凝土從單軸受壓變成三軸受壓應力狀態，而鋼管此時受到徑向壓應力和環向拉應力的作用，試件的軸壓剛度有緩慢降低的趨勢，縱向變形開始增大。極限承載力之后，鋼管已經屈服，其承擔的軸向力減小，由于部分鋼纖維被拉斷或拔

出，核心混凝土內部裂縫進一步發展，混凝土出現塑性損傷，荷載-位移曲線開始緩緩下降。可知隨著鋼纖維含量的增加，鋼管混凝土柱的彈性階段有效增長，表現出較好的延性。

2 有限元模型

本文擬以有限元ABAQUS為平臺建立鋼管鋼纖維混凝土短柱的分析模型，以編號C60-4-0.6 鋼管鋼纖維混凝土柱為基礎進行參數分析，分析鋼管壁厚、混凝土強度及鋼纖維含量對鋼管鋼纖維軸壓短柱力學性能的影響。

2.1 材料的本構模型

鋼材的本構模型采用等向彈塑性本構模型，而強度準則采用Von Mises屈服準則，其采用相關流動性法則，其單軸應力-應變關系曲線采用可分為彈性段、彈塑性段、塑性段、強化段和二次塑流等5個階段的模型。鋼管的約束作用使得核心混凝土處于三向應力狀態。

2.2 模型的建立與求解

建模時，鋼管采用塑性分析模型，4節點四邊形有限薄膜應變線性減縮積分殼單元類型（S4R），鋼墊板和核心混凝土采用8節點六面體線性減縮積分單元類型（C3D8R），鋼管和混凝土的界面模型由法線方向的接觸和切向方向的黏結滑移構成，法線方向采用硬接觸單元。鋼管與混凝土界面間考慮剪應力的作用，當其值達到臨界值時兩者之間便出現了相對滑動，滑動過程中值保持不變[19]。對軸壓短柱底部施加固定約束（Encastre），短柱頂部施加軸向荷載，僅頂部豎向自由度不受約束。

2.3 試驗與計算結果對比分析

計算所得的3個軸壓短柱試件的荷載-位移曲線。計算所得軸壓短柱的極限承載力與試驗所得的極限承載力比較。計算曲線和試驗曲線對比可知，兩曲線的彈性階段基本重合，在彈塑性階段相似，兩曲線到達峰值后都有下降段，試件的極限承載力計算值均低于試驗值，且延性比試驗結果大。其原因可能是Von Mises模型采用相關流動法則，低估了混凝土塑性體積膨脹而忽略了鋼管對混凝土的約束作用的影響。試件承載力的計算值Nc與試驗值Nu對比，其平均值Nc/Nu為0.917，均方差為0.02，可見承載力計算值和試驗值吻合較好，有限元計算結果低于試驗值，結果偏于安全。

2.4 應力分析

不同等級荷載下鋼管的Mises應力情況，在加載過程中，上下端頭由于端頭效應受力情況不斷變化，此外鋼管截面從上至下受力均勻變化，加載至1.0Nu后，由于塑性變形不斷增大，混凝土逐漸出現裂縫，鋼管混凝土有效受壓面積減小，即使縱向荷載有所降低，鋼管的應力還有增大的趨勢，卸載至0.88Nu鋼管在中部出現了明顯的脹大鼓曲變形，與試驗現象相一致，說明有限元模有限元計算曲線與試驗曲線對比型模擬的合理性。

降至極限承載力的85%左右才出現緩慢平穩發展階段，表明鋼管壁厚較大時，試件具有較好的延性和后期承載能力。b為鋼纖維含量為0.9%，鋼管壁厚為3mm，混凝土強度分別為C60、C70、

C80的試件荷載-位移曲線。隨著混凝土強度的增大，曲線基本發展趨勢相同，鋼管鋼纖維高強混凝土軸壓短柱的極限承載力提高，峰值過后曲線緩慢出現穩定發展階段，逐漸出現偏差，混凝土強度較大的曲線，后期下降更為明顯，說明混凝土強度較高的試件延性略有下降。c為鋼管壁厚為3mm，混凝土強度等級為C70，鋼纖維含量分別為0.6%、1.2%、1.8%的試件荷載-位移曲線。由加載初期曲線發展趨勢相同保持較好的吻合度。達到峰值荷載時各鋼纖維含量曲線之間差異較小，鋼纖維含量較高的曲線峰值荷載略高。峰值荷載以后，曲線之間逐漸出現偏差，但總體發展趨勢相近，鋼纖維含量較高的曲線較晚出現穩定發展階段，說明其試件具有更好的延性。

結語

通過本文的研究可以得出以下結論：①鋼管鋼纖維混凝土短柱軸壓破壞試驗表明鋼纖維能有效抑制核心混凝土中的微裂縫的發展，在鋼管混凝土短柱中摻入鋼纖維能提高試件的延性;②有限元計算得到的荷載-位移曲線與試驗曲線對比總體較為符合，計算所得極限承載力與試驗值的誤差在9%以內，說明該計算模型可以準確模擬試件的力學行為;③參數分析表明：增加鋼管壁厚能有效提高鋼管鋼纖維高強混凝土柱的承載能力和延性。提高混凝土強度能有效提高混凝土柱的承載能力，但隨著強度的增高延性略有降低。增加鋼纖維含量使鋼管混凝土柱的承載力略有提高，在下降段能有效提高其延性。

參考文獻：

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