鋼管混凝土中的栓釘受力有限元模擬分析

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 廣東 廣州 510641)

引言

隨著建筑的發(fā)展，鋼管混凝土得到越來越多的運(yùn)用。鋼管混凝土可以很好的結(jié)合鋼材及混凝土的優(yōu)點(diǎn)，并且鋼管的存在大大的提高了內(nèi)部混凝土的受力性能。為了保證鋼管與混凝土的協(xié)同工作，在設(shè)計(jì)中是設(shè)置抗剪連接件來實(shí)現(xiàn)，而栓釘是最常見的抗剪連接件。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對普通結(jié)構(gòu)的栓釘抗剪承載力進(jìn)行了大量研究，但對于不同結(jié)構(gòu)形式下的栓釘承載力不盡相同，國內(nèi)規(guī)范[1]大大低估了鋼管混凝土的栓釘抗剪力大小，為此本文提出一種針對帶栓釘?shù)匿摴芑炷镣瞥鲈囼?yàn)的有限元模型，用于研究不同試件參數(shù)栓釘在推出試驗(yàn)中的受力及變形特性。

一、有限元模型

采用ABAQUS對設(shè)置栓釘?shù)匿摴芑炷镣瞥鲈囼?yàn)進(jìn)行有限元模擬，為了節(jié)約計(jì)算成本且考慮到試件的軸對稱性質(zhì)，建立1/4推出試件模型。

(一)材料本構(gòu)。推出試件包含三個(gè)材料，栓釘、混凝土以及鋼材，如何正確的采用準(zhǔn)確的本構(gòu)模型對整個(gè)推出實(shí)驗(yàn)的模擬至關(guān)重要。其中內(nèi)部混凝土采用韓林海[2]建議的鋼管中混凝土的本構(gòu)，參見式(1)，

(1)

η=1.6+1.5/x;εc=(1300+12.5fc)×10-6με;

圖1 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

采用開裂能來模擬混凝土受拉，參見式(2)

(2)

式中，fcm=fck+8MPa

圖2 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變模型

(二)單元模型

1.網(wǎng)格單元。鋼管混凝土試件中包含3種單元，栓釘、鋼管以及混凝土，皆采用實(shí)體單元C3D8R三維實(shí)體單元模擬，提高計(jì)算精度。并采用結(jié)構(gòu)化(Structured)予以劃分網(wǎng)格，因在實(shí)際工程中栓釘焊接在鋼管上，所以在栓釘根部對單元進(jìn)行加密處理，所建立典型模型參加圖3。

圖3 典型試件有限元模型

2.接觸模擬

設(shè)置栓釘與鋼管為一體，栓釘與混凝土的界面的法方向設(shè)置為“硬”接觸，可以模擬栓釘與混凝土兩表面的傳遞壓力，且當(dāng)壓力大小為0或?yàn)樨?fù)數(shù)時(shí)，兩表面則分離結(jié)束無接觸；切向方向采用庫侖摩擦模型(“罰”接觸)，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4。鋼管與混凝土接觸模型在栓釘與鋼管接觸模型的基礎(chǔ)上，增加粘聚力接觸模型(Cohesive Model)來模擬鋼管與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力以及部分機(jī)械咬合力，采用圖4所示粘聚力本構(gòu)曲線。

圖4 粘聚力荷載-位移曲線

在位移到達(dá)S0之前，粘結(jié)強(qiáng)度一直上升，在相對滑移到達(dá)S0時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后粘結(jié)強(qiáng)度隨著相對滑移增大而增大，最終在相對滑移達(dá)到S1時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度降至為0。

參考文獻(xiàn)[3]定義切向上升段剛度knn=ktt=kss=0.6Mpa(n為界面法方向，s、t為界面兩切向方向)，根據(jù)不同的鋼管及混凝土表面處理，極限粘結(jié)強(qiáng)度τmax取值不同。采用位移準(zhǔn)則對粘聚力的損傷進(jìn)行演化，即利用極限位移S1來定義粘聚力剛度損傷的下降階段，取S1=3S0。

二、算例驗(yàn)證

本文利用陳寶春等[4]、任慶英等[5]中試驗(yàn)結(jié)果對本有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，鋼管截面分別為圓形及正方形，典型試件參數(shù)如圖5。

(a)文獻(xiàn)[4]試件I-2

(b)文獻(xiàn)[5]試件5#

(一)破壞模式

文獻(xiàn)[4]及[5]中，所有試件破壞模式皆為栓釘在根部被剪斷，局部混凝土被壓碎，鋼管沒有屈服。如圖6所示，從加載后混凝土損傷圖以及栓釘應(yīng)力圖可以很好的模擬出試件破壞后形態(tài)及分布。

圖6 破壞對比圖

(二)數(shù)據(jù)對比

從圖7中I-2及2#模擬與試驗(yàn)荷載滑移曲線可以得到，試件破壞由彈性段、彈塑性段以及下降段組成，有限元結(jié)果可以很好的模擬出彈性段及彈塑性段(峰值位移前)，但進(jìn)入下降段后，存在偏差，這是由于有限元軟件不能很好的模擬栓釘斷裂現(xiàn)象以及粘結(jié)接觸破壞后的非線性行為，但整體上可以很好的模擬出變化趨勢以及峰值位移。

圖7 荷載-滑移曲線

下表1列出了栓釘抗剪承載力與試驗(yàn)對比，可以得出差值在5%左右，精度較高，可以很好的研究栓釘抗剪承載力大小。

表1 栓釘抗剪承載力對比 單位：KN

三、結(jié)論

采用軟件ABAQUS建立的鋼管混凝土中栓釘受力的三維實(shí)體有限元模型，考慮了材料及幾何的非線性，利用了粘聚力接觸模型(Cohesive Model)來模擬鋼管與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力，所得結(jié)果與試驗(yàn)符合較好，但因?qū)φ尘哿佑|損傷未有精確建立，不能精確模擬出試件破壞后狀態(tài)。提出的模型適用于研究分析鋼管混凝土及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中栓釘連接件的承載能力及變形行為。