轴心受压组合t形短柱力学性能模拟分析

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1、轴心受压组合T形短柱力学性能数值模拟分析摘要：运用大型有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，考虑钢管厚度、混凝土强度等级、钢材强度等级以及肢厚的影响，对轴心受压钢管混凝土组合T形短柱的荷载-变形关系曲线进行模拟分析，并比较分析组合T形柱与普通T形柱的承载力与破坏形态。结果表明,组合T形柱极限承载力与钢材面积及屈服强度、混凝土面积及圆柱体抗压强度成正比；组合T形短柱的承载力比普通T形短柱的高，达到极限承载力时的变形更大，延性更好。关键词：组合T形短柱；ABAQUS；轴心受压；荷载-变形关系；承载力；中图分类号：TV431+.3文献标识码：A1前言异型（T型、L型、十

2、字型）柱能避免房屋内部出现棱角，增加房屋使用面积，因此在中高层住宅建筑中应用广泛。钢管混凝土结构承载力高、延性好，其理论研究和工程应用近年来发展迅速，特别是在中高层住宅中的应用更加迅速。目前，异型钢管混凝土柱已应用于广州某高层建筑，但其异型钢管是由钢板直接焊接或卷曲焊接而成，不便于加工，因而影响其进一步推广应用。本文在总结已有研究成果的基础上，提出将两根方形钢管直接焊接形成钢管混凝土组合T形柱，对其受压力学性能进行数值模拟分析。参考钢筋混凝土结构定义，将的组合T形柱称为短柱。分析中采用4种截面形式，如图1所示。(a)截面a(b)截面b12(c)截面c(d)截面d图1本

3、文有限元计算模型截面2材料的本构模型2.1钢材的本构模型钢材是一种比较理想的均质材料，它在受拉和受压时的力学性能基本一致，当变形不大时，通常是各向同性的。本文采用ABAQUS中的塑性分析（Plastic）模型，该模型在多轴应力状态下满足经典的VonMises屈服准则，采用各向同性的强化准则，并服从相关流动法则。在塑性分析（Plastic）模型中需要输入钢材理想化的单轴应力-应变关系曲线。弹性阶段的弹性模量和泊松比分别取2.06×105MPa和0.3。2.2混凝土的本构模型混凝土的本构关系比较复杂，考虑到钢管内的核心混凝土处于三向受压状态。参考文献【5】，混凝土单轴受压

4、的应力-应变关系采用如下模型：（1）式中,；；(N/mm2)；；，其中以N/mm2为单位计；。混凝土单轴受拉的应力-应变关系采用如下模型：（2）式中，；；—峰值拉应力；是峰值拉应力时的应变，分别按式（3）、（4）计算12（3）（4）2.3钢管与混凝土的界面模型钢管与混凝土的界面模型由界面法线方向的接触和切线方向的粘结滑移构成。本文计算中，钢管与混凝土界面法线方向的接触采用“硬”接触，界面切向力模拟采用库仑摩擦模型，界面可以传递剪应力，直到剪应力达到临界值，界面之间产生相对滑动，在滑动过程中界面剪应力保持不变。3有限元模型利用轴心受压构件的几何模型和荷载边界条件的对称性

5、，可取1/4模型进行模拟，如图2所示。在对称面上施加对称的边界条件，对盖板施加Z方向的荷载。盖板由离散刚体（DiscreteRigid）模拟，盖板与钢管以及两部件间的焊缝通过Tie的约束方式连接，盖板和混凝土的接触面采用“硬”接触传递荷载，加载方式为位移加载。钢管和混凝土均采用8节点减缩积分的三维实体单元（C3D8R）模拟，该单元可用于模拟产生较大的网格扭曲，适合大应变分析。在满足足够精度的条件下，考虑计算经济性，选择线性单元。对截面采用结构化网格划分技术进行划分，如图3所示；对模型的长度方向进行均匀的网格划分。为了保证计算精度，网格三向尺寸不应相差过大。首先用一个较

6、合理的网格划分进行初始分析，再利用两倍的网格重新分析，并比较两者的结果，如果差别较小（不大于1%），则网格精度满足要求，否则，应继续细化网格。图2模型边界条件图3模型截面网格划分示意图124轴心受压组合T形短柱力学性能模拟分析选取下列参数进行分析：钢管厚度、混凝土强度、钢材强度、肢厚。根据这些参数一共计算25个模型，模型的材料参数和几何参数列于表1、表2和表3。表1轴心受压组合T形短柱有限元模型构件一览表构件编号a1×b1（mm×mm）a2×b2(mm×mm)构件长度mm）钢材屈服强度（MPa）混凝土轴心抗压强度（MPa）钢管厚度（mm）ZDH1100×200100×

7、10045023532.43ZDH2100×200100×10045023532.44ZDH3100×200100×10045023532.45ZDH4100×200100×10045023532.46ZDH5100×200100×10045034532.44ZDH6100×200100×10045039032.44ZDH7100×200100×10045042032.44ZDH8100×200100×10045023526.84ZDH9100×200100×10045023529.64ZDH10100×200100×10045023535.54ZD