带约束拉杆钢管混凝土偏压短柱的有限元分析

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1、浙江建筑，第27卷，第11期，2010年11月ZhejiangConstruction，Vo1．27，No．11，Nov．2010带约束拉杆钢管混凝土偏压短柱的有限元分析FiniteElementAnalysisonEccentric-loadedRectangularCFTStubColumnswithBindingBars·于锦华，李建军YUfin—hua，LIJian-jun(1．浙江大学建筑设计研究院；浙江杭州310027；2．野风集团房地产股份有限公司，浙江杭州310014)摘要：应用通用有限元程序，对在偏压荷载作用下的带约

2、束拉杆的矩形钢管混凝土短柱进行力学分析，并与试验进行对比，认为三维非线性有限元方法对试验的模拟是合理可行的。通过分析该模型钢板和混凝土的应力分布情况和拉杆应力变化情况，进一步明确了该类型构件的内部受力及变形机理。关键词：矩形钢管混凝土；约束拉杆；偏心受压；非线性有限元分析中图分类号：TU375．3文献标识码：A文章编号：1008—3707(2010)11—0021—04华南理工大学土木工程系提出的带约束拉杆的性强化模型(图1(a))。混凝土选用ANSYS材料库矩形钢管混凝土短柱具有增强钢板对核心混凝土的里的多线性随动强化混凝土模型，其

3、采用William—约束作用，提高构件延性等优点。本文采用通用有Warnke(1975)五参数破坏准则¨。混凝土受压区限元分析软件ANSYS，对带约束拉杆的矩形钢管混段单轴应力一应变关系曲线根据《混凝土结构设计凝土短柱进行非线性有限元分析，更好地认识了其规范(GB50010—2002)》j简化得到，见图1(b)。受力性能和破坏机理，并与试验结果相比较，验证其本次非线性有限元分析采用分布裂缝模式，可以部分代替试验进行分析，为其合理应用提供假定裂缝发生在单元体内部，以分布裂缝来代替单依据。独的裂缝，即开裂后材料仍连续。混凝土开裂裂缝剪力传

4、递系数和闭合裂缝剪力传递系数分别取1模型的建立0．2和0．9。开裂后刚度折减系数为0．6。本次有限元分析采用分离式模型，约束拉杆为2节点的三维杆单元Link8，钢管为8节点的实体单J--_厂—面元Soild45，混凝土为8节点的三维混凝土实体单元／jSolid65。假定钢管、钢筋与混凝土之间为完全粘结，一0￡程序通过各类型单元共享节点来实现。钢材采用各向同性弹塑性材料模型，vonMises．屈服准则。在程序中给定单轴应力一应变关系后，其(a)钢材(b)混凝土三维应力一应变关系根据vonMises屈服准则确定。图1简化的混凝土单轴抗压应

5、力一应变曲线文中使用的钢材单轴应力一应变关系模型为弹性一线_童稿日期：2010—05—25一者简介：于锦华(1978一)，男，浙江桐乡人，工程师，从事建筑结构设计工作。22浙江建筑2010年第27卷本次分析以E3(一排拉杆)和E6(两排拉杆)二分法不可能，则分析将中止。为例进行，根据结构和加载对称性，沿宽度方向取3模型的试验验证1／2建模。为避免加荷局部应力集中，柱头设一钢垫板，偏心荷载在钢垫板上的钢垫块上施加，柱底3．1极限状态也设一钢垫块为支座。钢垫板和垫块均采用弹性极限荷载的有限元计算值与试验实测值见表模量很大的线弹性材料，柱头

6、加荷处和柱脚支座1，两者吻合良好。处混凝土具有关闭压溃和开裂功能。模型约束条件和单元划分见图3。E3共15个Link8单元，混表1计算结果与试验实测值对比表凝土共1248个Solid65单元，钢管(含拉杆垫板)共692个Solid45单元；E6共3O个Link8单元，混凝土共1248个Solid65单元，钢管(含拉杆垫板)共712个Solid45单元。极限状态时有限元模型的整体变形见图4，近力边压缩变形明显，整体挠曲成弓形，柱身侧边钢板有向外膨胀鼓出。这些变形特征与试验结果是一致的。D图2有限元模型的图3有限元模型(E3)坐标系示意图

7、(a)XZ平面上的投影(b)，z平面上的投影(局部放大)图4典型FEA模型的极限状态变形图(E3)2求解方法本次分析为单调加载非线性静力分析，ANSYS3．2荷载一变形曲线求解控制选择激活稀疏矩阵直接求解器，迭代方法E3各边竖向相对位移有限元计算值与试验值为牛顿一拉斐逊法。其在每个荷载子步求解完的比较见图5，有限元计算的弯矩一平均曲率曲线与成，进行下一子步计算前，修改刚度矩阵以反映材料试验曲线的比较见图6，有限元模型计算与试验情的非线性特征；每次迭代都需方程求解器独立求解，况吻合良好，能够较好地模拟试验，验证了有限元计一个迭代花费和线

8、性静态分析一样。算结果的准确性。考虑到精度和代价间的平衡，本次分析设定程4受力及变形机理分析序默认时间子步步长为0．05，最大和最小时间子步步长分别为0．05和0．001，并打开自动步长，允许4．1变形分析程序根据上一子