薄壁鋼管混凝土軸壓下有限元分析

錢拓，完海鷹

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 慨 述

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高度發(fā)展，建筑工程對(duì)建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)的要求已經(jīng)越來(lái)越高。為了滿足這些要求，新的結(jié)構(gòu)形式逐漸出現(xiàn)，其中薄壁結(jié)構(gòu)占有舉足輕重的地位。

薄壁結(jié)構(gòu)由于其受力較均勻，因此具有很高的強(qiáng)度和很大的剛度。但它也有一定的缺點(diǎn)，由于其體型過(guò)于復(fù)雜，所以相應(yīng)的費(fèi)時(shí)費(fèi)工，不利于施工化的推廣。而在現(xiàn)代建筑發(fā)展中，大跨度、高聳結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，為了滿足現(xiàn)代施工技術(shù)的工業(yè)化要求，薄壁結(jié)構(gòu)以復(fù)合結(jié)構(gòu)的形式逐漸出現(xiàn)在建筑工程中，其中薄壁鋼管混凝土是這類結(jié)構(gòu)的典型范例。

眾所周知，對(duì)于單獨(dú)的薄壁鋼管來(lái)說(shuō)，其臨界承載力極不穩(wěn)定，但是增加了混凝土后，這種薄壁復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載力就得到了一定的提高。

由于受初始缺陷、局部屈曲和非線性等因素的影響，薄壁鋼管混凝土的極限承載力的理論分析比較復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)研究又不可能包含所有的參數(shù)，但是為了更清晰的了解薄壁鋼管混凝土這一復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力性能以及定量描述承載力提高的程度，本文運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)試件進(jìn)行一定的非線性有限元分析,通過(guò)單一空鋼管以及相同尺寸的鋼管混凝土的對(duì)比模擬和一定的有限元參數(shù)分析，得出構(gòu)件各部分的縱向應(yīng)力云圖，以便了解鋼管混凝土的復(fù)合承載力提高程度，從而為分析探討鋼管混凝土這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)越性提供一定的依據(jù)。[1]

2 薄壁鋼管混凝土

薄壁鋼管混凝土是指在薄壁鋼管中填充混凝土而形成的一種新型組合結(jié)構(gòu)，且鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鋼管混凝土的基本原理為：一方面借助圓形鋼管對(duì)核心混凝土的套箍約束作用，使管內(nèi)的混凝土處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而可以延緩混凝土中縱向的微小裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的抗壓能力和變形能力的目的；而另一方面由于內(nèi)填混凝土對(duì)鋼管壁具有一定的支撐作用，使鋼管壁幾何穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)，可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲，從而保證其材料性能的充分發(fā)揮。[2]

3 數(shù)值模擬

3.1 基本假定

在對(duì)鋼管混凝土在位移荷載作用下的非線性分析之前，本文做如下假定：

①材料假定為各向同性的理想彈塑性材料；②不考慮幾何缺陷和殘余應(yīng)力。

3.2 材料非線性

本文采用Drcuker-Prager屈服準(zhǔn)則來(lái)確定各種材料節(jié)點(diǎn)的屈服荷載。

3.3 接觸單元的建立

接觸是一種對(duì)于邊界條件高度的狀態(tài)非線性行為，本文基于鋼管與混凝土接觸連接，屬于裝配形式的接觸行為，需要建立相應(yīng)的界面單元來(lái)模擬面—面接觸。具體流程為：創(chuàng)建模型、劃分網(wǎng)格——識(shí)別接觸對(duì)——指定接觸面和目標(biāo)面——定義剛性目標(biāo)面——定義柔體的基礎(chǔ)面并生成接觸單元——定義實(shí)常數(shù)、單元及其KEYOPT等。

在本模型中鋼管面定義為Target170目標(biāo)單元,混凝土面定義為Contact174接觸單元,摩擦系數(shù)(MU)為0.5。通過(guò)接觸對(duì)的建立,鋼管與混凝土兩種材料之間的摩擦接觸面可以分離,但不能相互滲透,較真實(shí)的反應(yīng)了兩者間的相互作用。[3]

4 模型建立

有限元模型是對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)，鋼管混凝土的有限元模型如圖2所示。模型的建立大致分為幾何建模、單元網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、荷載和邊界條件的定義、接觸條件定義、分析參數(shù)的定義及求解分析結(jié)果等。

為了詳盡的分析鋼管混凝土的受力性能，鋼管和混凝土用不同的單元模擬。其中鋼管用solid45單元模擬，材料屬性采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（bkin）來(lái)確定；混凝土用solid65單元模擬，材料屬性采用多線性等向強(qiáng)化模型（miso）來(lái)確定；模型的網(wǎng)格劃分采用體映射網(wǎng)格劃分[4]的方式，使單元形狀規(guī)則，有助于提高計(jì)算機(jī)求解的精度和結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型一端固接、另一端自由并施加位移荷載，如圖3所示。

5 數(shù)值模擬結(jié)果

5.1 應(yīng)力分析

圖4～圖6給出的是空鋼管、混凝土以及鋼管混凝土中混凝土的縱向應(yīng)力云圖。比較鋼管和鋼管混凝土的縱向應(yīng)力云圖我們可以發(fā)現(xiàn)，鋼管的應(yīng)力范圍為297.6MPa～393.9MPa，說(shuō)明鋼管底部已經(jīng)屈服，但鋼管中下部應(yīng)力范圍為329.7MPa～350.1MPa，還未完全屈服。鋼管混凝土中混凝土的應(yīng)力范圍為15.3～31.1MPa，由于鋼管的套箍作用，混凝土強(qiáng)度相對(duì)于單個(gè)混凝土柱提高了19%左右（應(yīng)力均值為23.2MPa）。相對(duì)于相同尺寸的混凝土柱，鋼管混凝土中混凝土的縱向應(yīng)力分布更加均勻，避免了局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象?？梢?jiàn)鋼管的套箍作用有效的約束了核心混凝土的橫向變形,使混凝土處于三向受壓狀態(tài),從而延緩微裂縫的擴(kuò)展,提高混凝土的塑性,相應(yīng)提高試件承載能力及變形能力。[5]

5.2 接觸分析

為了更加清晰地了解鋼管與混凝土之間的接觸效應(yīng)，圖7～圖9給出了接觸面的狀態(tài)圖、壓力圖和摩擦應(yīng)力圖。根據(jù)圖中的數(shù)據(jù)我們可以了解到在一定的位移荷載作用下，鋼管與混凝土中大部分是相互緊貼的，只有中下部的部分區(qū)域出現(xiàn)了相對(duì)滑動(dòng)，可見(jiàn)中下部的兩材料接觸面部分出現(xiàn)了分離，鋼管對(duì)混凝土起到一定的擠壓作用；而根據(jù)圖8～圖9我們可以看出中下部的擠壓應(yīng)力和摩擦應(yīng)力較大，可見(jiàn)兩材料間擠壓出現(xiàn)位置主要位于中下部，并逐漸沿側(cè)面上下逐漸減少，這為以后相應(yīng)的受壓構(gòu)件的接觸分析提供可靠的軟件分析基礎(chǔ)。

5.3 屈曲分析

圖10、圖11分別為空鋼管和帶有混凝土的鋼管混凝土的屈曲分析圖，從兩圖的數(shù)據(jù)可以看出，單個(gè)薄壁鋼管的臨界屈曲荷載大致為131kN左右[6]，而相應(yīng)的鋼管混凝土的臨界屈曲荷載達(dá)到了282kN左右，屈曲荷載得到大幅提高?？梢?jiàn)混凝土的存在有效的延緩和避免了鋼管的內(nèi)側(cè)局部屈曲[7]，有效地保證了鋼管整體的穩(wěn)定性和材料性能的充分應(yīng)用，也從側(cè)面提高了鋼管混凝土整體的承載能力和塑形能力，

6 結(jié) 論

基于ANSYS建立的有限元分析,可得出以下結(jié)論:①相對(duì)空鋼管,鋼管混凝土通過(guò)鋼管的套箍約束,核心混凝土的延性得以改善，強(qiáng)度得以提高，有效地驗(yàn)證了鋼管混凝土的基本受力機(jī)理；②鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用Drcuker-Prager屈服準(zhǔn)則建立有限元模型,彌補(bǔ)了無(wú)法直觀了解其內(nèi)部微觀應(yīng)力的缺陷,有助于更深一步地認(rèn)識(shí)該構(gòu)件的受力特點(diǎn)及破壞模式；③模型固結(jié)端端部出現(xiàn)應(yīng)力集中,根據(jù)圣維南原理,該現(xiàn)象對(duì)于較遠(yuǎn)處的模型中部影響可以忽略，因此本文采用的邊界條件是可行的；④相對(duì)空鋼管，混凝土有效地緩解了通過(guò)鋼管內(nèi)部的局部屈曲,鋼管整體穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，進(jìn)而證明了鋼管混凝土承載力高的巨大特點(diǎn)。鋼管和混凝土這兩種材料組合而成的鋼管混凝土新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)利用兩種材料間的相互作用，不僅可以彌補(bǔ)兩種材料各自的缺點(diǎn)，而且能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，這也正是鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)所在。

[1]周緒紅,王世紀(jì).薄壁構(gòu)件穩(wěn)定理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[2]韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[3]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4]龔曙光,謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[5]彭英義,鄭愛(ài)國(guó),譚克鋒.復(fù)式鋼管高強(qiáng)混凝土軸壓短柱非線性有限元分析[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010(4).

[6]韓林海,楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[7]金偉良,張翔,陳駒.薄壁圓鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)研究[J].混凝土,2010(1).