冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析

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1、第25卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．25No．42008年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2008冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析王静峰2，郭水平，陈莉萍，柳炳康(1．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥230009；2．江苏省土木工程与防灾减灾重点实验室，江苏南京210009)摘要：为了研究设肋方式、钢管厚度、钢材强度和混凝土强度对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱力学性能的影响，本文采用ABAQUS有限元程序，对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱进行非线性

2、有限元分析，计算和分析了冷弯薄壁方形钢管混凝土组合柱轴压时的荷载一变形全过程关系曲线。给出了有限元计算中钢材和混凝土本构关系模型、钢管及其核心混凝土之间界面模型等确定方法，分析在轴压作用下四种不同截面形式的冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能和破坏模态，理论计算结果与试验结果吻合较好。研究表明，设肋能有效改善冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能，与不带肋截面钢管混凝土构件相比，四边肋截面钢管混凝土构件的轴压承载力提高了9．4％～14．8％，十字肋截面钢管混凝土构件提高了18．7％一39．9％，而空钢管构件降低了6

3、5-3％～89．7％。同时，混凝土强度和钢管厚度对冷弯薄壁方钢管混凝土柱的轴压承载力影响较大。关键词：冷弯薄壁；钢管混凝土；组合柱；有限元；肋中国分类号：TU398+．9文献标识码：A文章编号：1672—7037(2008)04—0088—05凝土柱：不带肋截面、四边肋截面、十字肋截面d1概述和凹肋截面(图1)，并与空钢管柱进行比较。其中目前凹肋截面构件研究较少见，本文还探讨冷弯薄壁钢管填充混凝土形成冷弯薄壁钢管了肋长宽比系数ao(即ao=a／b)对凹肋截面构混凝土，可用于低多层、小高层建筑结构和空间件轴压承载力

4、的影响。结构柱或支撑构件。混凝土有效地提高了薄壁构件的局部屈曲强度、抗火性能和防腐蚀性能，薄壁型钢对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应—力状态，从而提高混凝土强度，改善其塑性和韧性性能。GB50018．2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》【JJ适用于厚度为2-6mm的冷弯薄壁型钢——J结构的设计，而对于厚度小于2mm的冷弯型钢(a)不带HJj截面(b)四边肋截商没有具体的设计方法，同时现有工程设计手册对冷弯薄壁钢管混凝土缺乏具体的计算方法和构造措施，制约了冷弯薄壁型钢在建筑工程中的应用。目前国内外研究学者对不带肋

5、冷弯薄壁钢管混凝土进行了大量的试验和理论研究J。在管壁设置加劲肋可有效提高薄壁钢管的强度和刚度。—(c)十字肋截ⅡⅡ陶忠等和张耀春等【7】研究了加劲肋对薄壁钢管混凝土力学性能和破坏形态的影响。然而，目前图1冷弯薄壁钢管混凝土的截面形式／mm对带肋冷弯薄壁钢管混凝土仍缺乏系统的研究。本文提出了四种不同截面形式的冷弯薄壁钢管混收稿日期：2008—06—24作者简介：王静峰(1976一)，男，安徽合肥人，副研究员，研究方向为钢及组合结构，composite2003@126．com。基金项目：江苏省土木工程与防灾减灾重点

6、实验室开放基金(JSCE0703)；合肥工业大学博士专项科研基金(2007GDBJ050)。第4期王静峰等：冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析·89·与肋之间都通过Tie连接。2有限元计算模型在柱两端分别设置一刚度很大垫块模拟压力试验机加荷端板，采用三维实体单元(C3D8R)模拟，2．1材料本构关系模型加荷端板与混凝土顶面和底面都采用法向硬接钢材采用ABAQUS软件中提供的等向弹塑触；加荷端板与钢管采用ABAQUS中Shellto性模型，满足VonMises屈服准则。钢材的弹性SolidCoupling项进

7、行约束。在对柱进行轴压作用模量取2．06X10’MPa；泊松比取0．3。下荷载一变形关系曲线模拟时，采用一端自由并核心混凝土由于受到钢管的约束，且随着受施加荷载，一端固定的边界条件。计算全过程采力状态的改变处于动态变化，通常混凝土材料的用位移加载方式，并通过增量迭代法求解非线性单轴加载试验难以测定塑性性能的变化，也很难方程。准确描述核心混凝土变化的被动约束力的影响。为了合理地、准确地考虑这些因素的影响，本文3有限元模型验证中采用刘威(2005)I8】提出的适用于ABAQUS有限元程序的核心混凝土单轴应力一应变关系

8、模为了验证本文提出的有限元计算模型的正确型。计算时混凝土弹性模量巴=4730f~。5N／mm，性，根据文献[6]和文献[10]的试验数据进行了模泊松比取0．2。拟计算，计算结果与试验结果进行比较。由于篇2．2单元类型和截面划分幅有限，图3和图4仅给出部分结果，纵坐标为钢材采用四节点减缩积分格式的壳单元轴力比，横坐标为纵向应变。构件的具体参数如(S4R)，在壳单元厚度方向，