薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析

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1、马忠古等：薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析77薄壁方钢管混凝土轴压短柱有限元分析马忠吉，韩素滨【1．哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨150090；2．黑龙江省新建监狱3-程设计科。哈尔滨150069)【摘要】依据合理简化的力学模型，利用大型有限元软件ABAQUS建立了精细化有限元模型，通过合理选取材料的本构模型，对薄壁方钢管高强混凝土短柱力学性能进行了有限元分析。研究了混凝土与钢管之问的摩擦对薄壁方钢管屈曲模态的影响，钢管与混凝土之间不同接触方式、不同的初始缺陷对薄壁方钢管高强混凝土短柱承载能力的影

2、响，并将数值分析结果同文献提出的公式进行比较，证实了本文有限元模型的可行性。【关键词】薄壁方钢管混凝土；屈曲模态；非线性有限元分析【中图分类号】TU375．3【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2012)03—0077—02方钢管高强混凝土具有承载力高、抗震性能好的优点，值应力前采用线性增长。在下降段采用线性下降，考虑钢同时外包钢管可以作为施工模板，所以方钢管混凝土结构筋混凝土的受拉硬化效应。极限拉应力取为0．02A．为抗施工方便快捷，具有较好的经济效益⋯。以前，钢管混凝土拉强度。最终采用的混

3、凝土单轴应力一应变关系表达式见结构主要用于高层、大跨结构和重型工业厂房，因此要求钢参考文献[4]。在本文中，混凝土单轴抗压强度等级为C60，管混凝土柱的钢管较厚，径厚比通常较小，规范规定，当取为47．4MPa，单轴抗拉强度取为4．7MPa。方钢管混凝土径厚比小于6035时，可不考虑钢管的钢管、采用ABAQUS软件中提供的等向硬化弹塑性局部屈曲。随着建筑结构技术的发展，对结构的抗震要求模型，采用VonMises屈服准则，YonMises屈服准则适用于越来越高，因此在抗震地区，为了提高高强混凝土的延性，模拟与

4、静水压力无关的材料的力学性能，屈服面为连续曲同时也为了取得较好的经济效益，可以在一些中、低层建筑线，在数值计算中易于处理，适用于钢材的非线性有限元分物、中等跨度结构和普通工业厂房中使用薄壁方钢管高强析，计算结果很接近材料的真实状态。钢管应力应变曲线混凝土柱。然而，随着钢管宽厚比的增大，薄壁钢管的局部采用文献[4]表达，钢筋屈服应力315MPa，钢材的弹性模量屈曲对薄壁钢管高强混凝土柱承载能力的影响不可忽略。取2．06X10MPa，塑性强化阶段弹性模型取0．01E。随着有限元法的不断发展，在钢结构、混凝土结

5、构和组(3)单元划分。混凝土采用C3DSR单元。经过网格合结构的分析中得到了越来越多的应用，有限元方法也成试验，在网格划分上进行了优化网格尺寸为20mm，不仅满为了除试验研究、理论分析之后的第三种结构分析方法，运足了计算的经济性，同时也保证了有限元分析结果的精度。用有限元法可以得到试验中很难得到的一些重要的结构反应信息。本文利用大型有限元软件ABAQUS建立了精细化有限元模型，研究了混凝土与钢管之间的摩擦对薄壁方钢管高强混凝土短柱屈曲模态的影响，深入分析了钢管与混凝土之间不同接触方式、不同初始缺陷对薄壁方

6、钢管高强混凝土短柱承载能力的影响。1有限元计算模型(a)核心混凝土(b)薄壁钢管(1)模型设计。本文设计了一组钢管混凝土柱并进行承载能力有限元分析，分析中考虑的参数为钢管与混凝土之图1试件的有限元模型间的不同接触方式，包括允许钢管与混凝土表面分开与不允许分开，钢管初始缺陷峰值分别取为0．2、0．5、1、2mm。图1钢管采用四点缩减积分壳单元S4R。在厚度方向，采用所示为钢筋混凝土对比试件和钢管约束钢筋混凝土柱的截面7个Simpson积分点，这种单元具有较高的精度，也可以减少形式。混凝土柱截面尺寸为200m

7、mX200mm。试件高度为许多自由度，提高了计算的效率，网格尺寸为20mm。600mm，钢管厚度为1．5mm，钢管的径厚比为133。(4)边界条件。试件在底端约束三个平动自由度和(2)材料本构关系。ABAQUS软件的材料模型库提三个转动自由度，加载端约束除轴向外五个自由度。钢管供了大量的非线性本构模型，本文混凝土的受压应力应变与混凝土之间的接触采用界面单元模拟混凝土与钢管之间曲线采用了韩林海建立的适用于钢管混凝土结构分析的的接触，摩擦系数取为0．20J。计算中，采用位移加载方应力应变曲线，该曲线较好的模拟

8、了混凝土材料受压破坏式，计算时，采用增量迭代法求解非线性方程。全过程的特征，适用于圆形和方形钢管混凝土结构的非线2计算结果分析性有限元分析。受拉段的曲线采用双线性关系式，达到峰(1)屈曲模态分析。依据以上建立的有限元模型，对78低温建筑技术2012年第3期(总第165划)试件进行了模态分析，计算分析中取前十阶模态，图2给出于方钢管混凝土短柱，前十阶模态的特征值非常接近，因此了前三阶屈曲模态，由图可以看出，由于核心混凝土的存在实