方钢管混凝土轴压短柱承载力非线性有限元分析.pdfVIP

长江大学学报 (自科版)理工卷 2007年12月第4卷第4期 Journal of Yangtze University(Nat Sci Edit)SciEng V Dec．2007．Vo1．4 No．4 方钢管混凝土轴压短柱承载力非线性有限元分析 张继承 (长江大学城市建设学院，湖北荆州434023；同济大学土木工程学院，上海200092) 卢海林 (长江大学城市建设学院，湖北荆州434023) [摘要]采用大型通用有限元分析程序ABAQUS进行了方钢管混凝土轴压短柱力学性能模拟，分析了各 个阶段构件的承载能力。结果表明：有限元计算的极限荷载和荷载一平均纵向应变曲线与试验结果符合较 好，说明网格划分、边界条件、材料本构关系的选取基本正确，适用于钢管混凝土短柱的非线性分析。 [关键词]方钢管混凝土柱；有限元分析；轴压；极限承载力 [中图分类号]TU375 [文献标识码]A [文章编号]1673—1409(2007)04一N125—04 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的构件，它是在螺旋钢筋混凝土、劲型混凝土和钢管结 构的研究基础上新发展起来的一种结构。由于钢管混凝土具有许多优越性能，如承载力高、塑性和韧性 好、施工方便、耐火性能好、经济效益高口 等，钢管混凝土结构在当今世界各地都得到了广泛的应用。 目前，国内外相关研究主要集中在钢管混凝土构件和结构的试验方面，并取得了一定的成果[2 ]。但是 ． 在钢管混凝土非线性有限元数值模拟分析上还存在许多问题，主要是建立正确的材料本构模型、钢管和 混凝土的相互作用模型等。笔者在借鉴已有学者提出的材料本构模型基础上，利用大型有限元分析程序 ABAQus进行了方钢管混凝土轴压短柱全过程非线性分析，数值分析计算结果与试验结果符合较好， 验证了所选材料本构模型的正确性。 1 非线性有限元分析模型的建立 建立一个合适的三维非线性有限元分析计算模型是准确有效分析钢管混凝土组合结构力学性能的关 键。利用有限元分析程序ABAQus建立了轴压荷载下方钢管混凝土柱的三维非线性有限元分析模型， 并与试验结果进行对比分析研究。 1．1 材料本构模型的选择 应力_应变关系是工程结构材料的物理关系，是结构受力过程中材料力和变形关系的概括，是其内 部微观机理的宏观行为表现，是结构强度和变形计算中必不可少的依据。为了进行钢管混凝土构件的力 学性能和承载力的研究，必须首先确定钢材和混凝土的应力一应变关系模型[2]。 1)钢材的本构模型 目前，工程中常用的钢材是Q235钢、Q345钢、Q39O钢、16Mn钢和 15MnV钢等，这些钢都属于低碳软钢。它们的本构关系还是比较清楚的，文献 [1～3]将低碳钢的应 力一应变关系分为弹性段、弹塑性段、塑性段、强化段和二次塑流等5个阶段，该模型的数学表达式如 式下： E￡。 ￡； ￡。 一 ：+。+c ￡。￡。≤￡。1 ￡e ￡s≤￡ (1) ，y[1+o．6 Es~Ee2]e e。≤e醴 1．6 ￡。 ￡。3 式中，， 为钢材的屈服极限；￡。为应变；￡。一0．8 ／E,；￡。1—1．5E。；￡。2—10e。1；￡。3：1o0￡。1；A=0．2f,／(e。1 一￡。)。；B=2 1；C一0．sf,+ ：一BE。；E。为钢材的弹性模量。 [收稿日期]2007—08—22 [作者简介]张继承 (1976一)，男，1997年大学毕业，讲师，博士生，现主要从事结构工程方面的教学与研究工作。 ·126· 长江大学学报 (自科版)理工卷 2007年12月 2)混凝土的本构模型 混凝土是目前工程中应用最广泛的建筑材料之一，这种材料的特点是组成 不均匀，存在天生的微裂缝，由此决定了混凝土的工作机理是：微裂缝发展、运行、从而构成宏观裂 缝，宏观裂缝的进一步发展，最终导致结构中混凝土的破坏。混凝土的这种工作机理决定了其工作性能 的复杂性。而在钢管混凝土柱中，