基于ABAQUS的鋼管混凝土柱承載能力分析

摘要：隨著計算機的迅速發展及有限元程序的推出，結合工程建設的需要，專家學者們對鋼管混凝土結構的研究進入了高潮。本文基于有限元軟件ABAQUS對鋼管混凝土柱進行穩定承載能力和強度承載能力研究。研究表明，對于長細比較大的鋼管混凝土柱和鋼管混凝土拱肋，在軸心受壓工況下，其承載力是由穩定控制的;在實際工程中，應該更多的關注鋼管混凝土軸心受壓構件的失穩破壞。

關鍵詞：鋼管混凝土柱;ABAQUS;局部屈曲;極限承載能力

0 引言

鋼管混凝土結構是一種新型復合結構，其力學性能在核心混凝土和外包鋼管兩種不同材料的相互作用中取得明顯的優勢[1]。一方面，鋼管混凝土結構承載力遠遠高于外包鋼管和核心混凝土承載力之和;另一方面，通過鋼管和混凝土的組合作用，鋼管混凝土結構不僅承載能力得到了大幅度提高，而且其延性和塑性性能也得到了良好的改善。

本文基于有限元軟件ABAQUS實現鋼管混凝土柱軸心受壓全過程的承載能力分析。整個研究分析過程分為獨立的兩部分：①通過特征值屈曲分析得出用于評估穩定極限荷載的屈曲臨界荷載，再通過設置初始缺陷進行非線性屈曲分析得出鋼管混凝土柱的穩定極限荷載以及整個屈曲過程的荷載位移曲線;②通過設置材料非線性、幾何非線性及接觸非線性，進行鋼管混凝土柱的靜力應力場分析，得到其材料強度極限荷載及整個軸心受壓過程荷載位移曲線。

1 ABAQUS有限元模型的建立

本模型中采用實體單元模擬核心混凝土，采用殼單元模擬鋼管;其中鋼管外徑D=1m，鋼管混凝土柱長l=12.5m。混凝土材料為C50，鋼管為Q235鋼材;鋼管混凝土柱邊界為一端自由，一端約束X、Y、Z三個方向的位移，并限制沿三個方向的轉動。

2 鋼管混凝土柱穩定承載能力分析

2.1 特征值屈曲分析

荷載采用1N的集中力進行加載，對鋼管混凝土柱進行線性攝動分析，提取一階模態特征值如下圖所示。

由圖2可得到此鋼管混凝土柱在線性特征值屈曲分析下的前屈曲臨界荷載Fcr=54163kN。

2.2 非線性屈曲分析

取特征值屈曲分析中一階模態的百分之一作為非線性屈曲分析中的初始缺陷施加于后屈曲模型中，混凝土材料采用C50混凝土塑性損傷本構，鋼材采用雙折線理想本構;荷載采用在自由端施加3mm的軸向位移;并采用riks弧長法進行后屈曲分析。后屈曲分析后處理如下圖所示。

ABAQUS采用Von-Mises屈服準則。通常認為，當等效應力超過材料的屈服應力時，材料發生塑性變形。由圖3、圖4可知鋼管在其底部位置附近產生塑性應變，而混凝土在靠近底部區域已產生塑性應變。

由圖5的荷載位移曲線可知此鋼管混凝土柱先后經歷了彈性階段、彈塑性階段，最終達到臨界荷載后，其承載力逐漸下降;該鋼管混凝土柱的失穩極限荷載為32683.9kN。

3 鋼管混凝土柱強度承載能力分析

取特征值屈曲分析的模型，邊界條件及接觸條件均不改變;混凝土材料采用C50混凝土塑性損傷本構，鋼材采用雙折線理想彈塑性本構。在自由端施加10mm軸向位移，并采用general static靜力分析步，分析計算后的后處理云圖如下圖所示。

由圖6、圖7可以看出鋼管混凝土柱在軸向荷載作用下，鋼管中間區域有較大部分應力達到屈服應力，進入彈塑性階段;混凝土中間位置的局部區出現塑性應變，進入塑性階段。

由圖8的荷載位移曲線可得出此鋼管混凝土柱在軸心受壓下的強度承載能力為45114.2kN。

4結語

本文通過有限元分析軟件ABAQUS建立鋼管混凝土柱的相應模型，并依次進行線性特征值屈曲分析、非線性屈曲穩定分析以及非線性靜力分析，得出以下結論：

1.該鋼管混凝土柱的實際長細比λsc=4l0/D=100（l0為構件的計算長度，D為鋼管的外徑）。由于λ0=12.73<λsc=100<λp=150（λ0為臨界長細比，λp為界限長細比），該鋼管混凝土柱發生彈塑性失穩，也驗證了失穩極限荷載值32683.9kN小于強度極限荷載值45114.2kN。

2.在實際工程中，鋼管混凝土柱和鋼管混凝土拱肋的長細比都很大。在多數情況下，鋼管混凝土軸心受壓構件的承載力是由穩定控制的。在本文中，鋼管混凝土柱失穩極限荷載只有強度極限荷載的70%左右，說明穩定問題對鋼管混凝土軸壓構件是非常重要的，在實際工程中應該更多的關注其失穩破壞。

參考文獻

[1]蘇曉春.鋼管混凝土受壓構件力學性能研究[D].西安：西安工業大學，2015.

作者簡介：

班長凱（1993-），男，助理工程師，碩士研究生，從事橋梁設計工作。

天津市政工程設計研究總院有限公司 天津 300392