基于ABAQUS的木材填充鋼管混凝土組合短柱軸壓性能分析

馬晨洋 翁維素 裴 斐 王 凱 甄明燦

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

現(xiàn)如今鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在世界各國的工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用.混凝土抗壓強度高但抗彎強度較弱.鋼材具有自重輕、抗震效果好等優(yōu)勢，但鋼管受壓時容易發(fā)生屈曲而導(dǎo)致無法發(fā)揮其最大承載力.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒍叩膬?yōu)勢結(jié)合在一起，鋼管的存在可使混凝土在處于側(cè)向受壓狀態(tài)時，使其承載能力進一步提高.同時混凝土可以防止鋼管過早的發(fā)生屈曲，提高鋼管剛度.韓林海[1]、呂西林[2]等學(xué)者對鋼管混凝土短柱進行了試驗研究，研究表明鋼管混凝土柱相較于純鋼管和純混凝土柱，承載力得到了較大的提升.

國內(nèi)外學(xué)者也使用其他材料填充鋼管，木材是使用較多的材料之一.木材密度較低，在重量和抗震方面具有其它材料無可比擬的優(yōu)勢.中原，浩之[3]為了減輕結(jié)構(gòu)重量，將鋼管混凝土柱中部分灌漿料置換為木材，并對36個截面形式、構(gòu)件長度不同的鋼管-木組合柱進行了軸壓試驗研究.試驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)填木材尺寸越大，構(gòu)件峰值荷載越低，并且用組合柱各要素承載力累加的方法所得的預(yù)估承載力比實際值高.Amin Nabati[4]對在軸壓荷載下內(nèi)填木材的CFRP-鋼管混凝土柱進行試驗研究，研究表明木材與CFRP一起使用，顯著的減輕了構(gòu)件的重量，又增加了軸向延性，CFRP也在一定程度上補救了由木材填充而減小的承載力.Tohid Ghanbari Ghazijahani[5-7]對內(nèi)填木材形狀、CFRP層數(shù)不同的鋼管-木組合柱進行了試驗研究,發(fā)現(xiàn)木材內(nèi)填可以防止鋼管局部向內(nèi)屈曲，外纏CFRP可以防止鋼管局部向外屈曲，保證鋼管不會過早發(fā)生屈曲破壞從而提高了構(gòu)件的承載力，并在一定程度上減輕了構(gòu)件的重量，結(jié)果表明外纏CFRP內(nèi)填木材的構(gòu)件相較于純鋼管強度增加了75%，而重量僅僅增加44%，強度增益明顯超過增重.

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對木材填充鋼管混凝土組合短柱的有限元分析研究尚少.本文運用ABAQUS對方形、圓形截面的木材填充鋼管混凝土組合短柱軸心受壓時的力學(xué)性能進行分析，為類似木材填充鋼管混凝土組合短柱的研究提供借鑒.

1 有限元計算模型

由于文獻[3]只給出部分曲線，本文針對文獻中部分試件建立有限元分析模型，試件尺寸及材料屬性等具體參數(shù)見表1.

表1 試件主要參數(shù)

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系模型

鋼管采用理想彈塑性模型，在應(yīng)力達到屈服應(yīng)力以前完全服從Hooke定律，即彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系.屈服以后應(yīng)力值不增加，應(yīng)變值無限增加.鋼管彈性階段泊松比取0.25，彈性模量取208kN/mm2.

木材作為生物材料，試驗結(jié)果離散性大，且受含水率、蠕變現(xiàn)象影響，很難測定其本構(gòu)關(guān)系.為了更合理、準確地考慮這些因素影響，本文采用姜紹飛[8]提出的適用于ABAQUS有限元程序的木材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型.彈性定義采用ABAQUS軟件中工程常數(shù)法設(shè)置，塑性定義采用各向同性設(shè)置.木材E1方向彈性模量取7kN/mm2.

混凝土是常用的建筑材料之一，根據(jù)受力條件分多種本構(gòu)模型.作為木材填充鋼管混凝土組合短柱中承重、傳力的主要材料，本次采用韓林海[9]提出的鋼管混凝土中核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系建立混凝土本構(gòu)模型，模型的數(shù)學(xué)表達式為：

(1)

式中：

σ0=fc；ε0=εc+800·ξ0.2·10-6;

εc=(1300+12.5·fc)·10-6;

混凝土彈性階段泊松比取0.2，采用ABAQUS有限元分析軟件中的混凝土損傷塑性模型，取膨脹角為30°，取偏心率為0.1，取雙軸等壓時強度與單軸強度之比為1.16，取拉、壓子午線上第二應(yīng)力不變量比值為0.667，取粘性參數(shù)為0.0015.

1.2 相互作用與邊界條件

鋼管與混凝土、混凝土與木材之間的約束分為法向行為與切向行為.法向行為采用“硬接觸”定義，切向行為采用“罰接觸”定義，摩擦系數(shù)取0.6.為方便荷載的施加，在柱兩端各設(shè)置一個參考點，參考點與柱端各材料截面采用ABAQUS中剛體項進行約束.

在對組合柱進行軸壓作用下模擬時，將柱底參考點的邊界條件定義為完全固定，柱頂參考點的邊界條件定義為U1=U2=0,U3方向施加位移.

1.3 單元類型與網(wǎng)格劃分

本課題鋼管采用ABAQUS有限元分析軟件中四節(jié)點減縮積分格式的殼單元(S4R)，在殼單元厚度方向，采用9個積分點的Simpson積分，足以滿足計算要求精度.木材與混凝土采用八節(jié)點減縮積分格式的三維實體單元(C3D8R).通過多次試驗確定了合理的網(wǎng)格密度.圖1為木材填充鋼管混凝土組合短柱的有限元模型.

(a)方形截面

(b)圓形截面圖1 木材填充鋼管混凝土組合短柱的有限元模型

2 有限元模型驗證

為了驗證本文建立的木材填充鋼管混凝土組合短柱有限元模型是否正確，作者根據(jù)文獻[3]的實驗數(shù)據(jù)分別對圓截面和方截面木材填充鋼管混凝土組合短柱進行了模擬計算，將有限元計算結(jié)果與文獻試驗結(jié)果進行比較.

2.1 破環(huán)形態(tài)

采用ABAQUS有限元模擬得到的破壞形態(tài)與試驗破壞形態(tài)比較見圖2，二者均為柱中鼓起屈曲破壞，由于木材斷裂混凝土壓碎，導(dǎo)致鋼管隨位移增大向外屈曲，二者破壞形態(tài)基本相符.

(a)試驗 (b)有限元分析圖2 試件S3-31的破壞形態(tài)對比

2.2 荷載-位移曲線

試件有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果峰值荷載對比見表2.圖3為有限元計算得到的方截面和圓截面木材填充鋼管混凝土組合短柱的荷載-位移曲線與試驗結(jié)果的對比，結(jié)果表明：在彈性階段，荷載-位移曲線基本為線性變化，有限元分析結(jié)果與試驗曲線吻合較好；達到峰值荷載后，進入彈塑性階段，隨位移增長柱中出現(xiàn)明顯的局部屈曲，變形增加迅速，木材裂縫延伸，承載力下降.由于木材材料性能受裂縫、木節(jié)影響嚴重，實驗曲線不平滑，結(jié)果離散型較高，所以在試件進入彈塑性階段后有限元分析與實驗曲線吻合相對較差.

(a)試件S3 (b)試件C3圖3 荷載-位移曲線對比圖

表2 峰值荷載對比

由上可見，有限元計算結(jié)果所得到的峰值荷載、峰值位移與試驗結(jié)果基本一致，利用上述模型和方法分析木材填充鋼管混凝土組合短柱的軸壓性能是可行的.

3 參數(shù)分析

本文利用建立的有限元模型對木材填充鋼管混凝土組合短柱進行了參數(shù)分析，以文獻[3]中的S3-31(具體參數(shù)見表1)為研究對象，在保持其他參數(shù)不變的情況下，給出試件在不同木材尺寸、鋼管壁厚、混凝土強度、鋼材強度下的荷載-位移曲線，模擬試件參數(shù)及峰值荷載詳情見表3.

表3 模擬試件參數(shù)及峰值荷載詳情

3.1 荷載-位移曲線

通過ABAQUS有限元軟件對各模擬試件進行計算，得到不同參數(shù)下試件的荷載-位移曲線，如圖4所示.由圖可知：

(a)鋼管壁厚 (b)木材尺寸

(c)混凝土強度 (d)鋼材強度圖4 不同參數(shù)試件荷載-位移曲線

(1)鋼管壁厚的增加，首先使得鋼管不易發(fā)生屈曲，其次鋼管對混凝土與木材的約束能力增強，所以試件彈性階段的剛度提高，峰值荷載和剩余承載力也顯著提高.

(2)木材尺寸增加，試件在彈性階段與彈塑性階段的剛度降低.因為抗壓強度較低的木材替換部分混凝土，使得峰值荷載降低.隨著位移的增加，木材尺寸大的試件承載力下降量較多.

(3)混凝土強度越高，試件的剛度越大，峰值荷載越高.峰值后承載力下降量越多，對剩余承載力提升較小，說明混凝土強度的變化對剩余承載力影響較小，這主要是因為混凝土被壓碎后退出工作，荷載主要是由鋼管和木材來承擔(dān)，所以混凝土強度對剩余承載力的影響不明顯.

(4)鋼材強度的變化對構(gòu)件的剛度影響不明顯，但是鋼材強度提高，構(gòu)件的峰值荷載和剩余承載力也隨之提高.峰值后承載力下降量基本相同，說明鋼材強度是影響構(gòu)件的剩余承載力的主要因素.

3.2 強重比

本文引入了強重比[10]的概念來研究木材填充鋼管混凝土組合短柱的結(jié)構(gòu)效率，其定義為木材填充鋼管混凝土組合短柱的峰值荷載與重量的比值.強重比越大，意味著單位重量下承受荷載越高，結(jié)構(gòu)效率越好.試件的強重比如表4所示.

表4 不同試件的強重比

由表4可知鋼管壁厚、木材尺寸、混凝土強度和鋼材強度均影響構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效率.(1)壁厚7mm的構(gòu)件相較于標準件S3-31，峰值荷載提高1.36倍，重量僅增加1.27倍.由此可知鋼管壁厚增加，會一定程度上增加構(gòu)件的重量，但是壁厚增加，約束能力也相應(yīng)提高，從而提高了構(gòu)件的承載力，因此強重比提升較明顯，說明鋼管壁厚增加會提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效率；(2)采用木材尺寸70mm的試件與標準件對比，峰值荷載下降了25%，重量下降了28%，這是因為木材抗壓強度較低，隨著木材尺寸的增加，導(dǎo)致峰值荷載下降，但由于木材本身在抗壓方面就是高強輕質(zhì)的材料，所以即使峰值荷載下降，也依舊提高了強重比，說明采用木材填充鋼管混凝土構(gòu)件，可以提高鋼管混凝土結(jié)構(gòu)效率；(3)C25混凝土構(gòu)件相較于標準件，重量降低不明顯，但峰值荷載僅為標準件S3-31的0.71倍，說明采用低強度混凝土，會嚴重降低試件結(jié)構(gòu)效率，并且由圖5(a)可知，混凝土強度與構(gòu)件強重比二者線性相關(guān)；(4)采用Q420鋼材的構(gòu)件在重量相同情況下峰值荷載較標準件提高1.1倍，說明隨著鋼材強度的提升，構(gòu)件結(jié)構(gòu)效率提升較明顯，這主要是因為各強度鋼材密度相差不多，所以提高鋼材強度，構(gòu)件峰值荷載提高，同時構(gòu)件重量基本保持不變.構(gòu)件強重比與鋼材強度二者線性相關(guān)，如圖5(b)所示.

(a)混凝土強度擬合 (b)鋼材強度擬合圖5 構(gòu)件強重比與混凝強度、鋼材強度線性擬合

4 結(jié) 論

(1)通過ABAQUS有限元軟件，建立了木材填充鋼管混凝土組合短柱有限元計算模型，通過與試驗結(jié)果對比，其破壞形態(tài)、荷載-位移曲線吻合較好，表明本文模型和方法可以用于木材填充鋼管混凝土組合短柱軸壓力學(xué)性能研究.

(2)增加鋼管壁厚和提高材料強度可以提高對短柱中木材和混凝土的約束，進而提高構(gòu)件的峰值荷載；鋼管混凝土短柱中填充木材尺寸越大，構(gòu)件峰值荷載越小；提高混凝土強度，構(gòu)件峰值荷載越大.四種參數(shù)均對剩余承載力有影響，其中鋼材強度是影響構(gòu)件的剩余承載力的主要因素.

(3)提高鋼管壁厚、材料強度、木材尺寸可以提高試件的強重比，且試件強重比與材料強度存在線性關(guān)系.

(4)鋼材壁厚增加和強度提高能明顯提高構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效率；木材填充鋼管混凝土短柱會降低構(gòu)件峰值荷載，但會一定程度提高構(gòu)件結(jié)構(gòu)效率；在試件設(shè)計強度相同情況下，采用低強度混凝土制作的試件結(jié)構(gòu)效率最低.