钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析资源-CSDN文库

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1.本课题得到国家自然科学基金重点资助项目(50808180)、教育部博士点基金 (200805331064)和湖南省自然

科学基金(07JJ4014)的资助。

-1-

钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析

丁发兴

1,2

，周林超

，余志武

，欧进萍

1 中南大学土木建筑学院，长沙（410075）

2 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨（150090）

E-mail：dinfaxin@mail.csu.edu.cn

摘要：提出新的混凝土单轴受力和轴对称三轴受压应力-应变关系统一计算公式，应用连

续介质力学，采用弹塑性法对圆钢管混凝土轴压短柱力学性能进行分析，指出新的混凝土轴

对称三轴受压应力-应变关系统一计算公式可避免圆钢管混凝土轴压短柱荷载-应变曲线上

升段刚度衰减过快的缺点。采用新的混凝土单轴受力应力-应变关系统一计算公式，应用

ABAQUS 有限元软件建立圆钢管混凝土轴压短柱有限元模型，根据圆钢管混凝土轴压短柱

的弹塑性法分析结果，确定 ABAQUS 中混凝土塑性损伤本构模型的膨胀角为 40°，随后通

过有限元建模对典型的方形钢管混凝土、矩形钢管混凝土、方形带肋钢管混凝土、矩形带肋

钢管混凝土和箍筋约束混凝土轴压短柱的荷载-应变曲线试验结果进行数值仿真分析，计算

结果与试验结果吻合良好。采用 ABAQUS 有限元软件，对相同含钢率下的方形钢管混凝土、

矩形钢管混凝土、方形带肋钢管混凝土、矩形带肋钢管混凝土和钢筋混凝土轴压短柱的荷载

-应变曲线进行数值仿真分析，探讨各种短柱的受力性能和约束套箍作用，指出方、矩形钢

管混凝土的约束套箍作用不如圆钢管混凝土明显，甚至不如钢筋混凝土明显，对方、矩形钢

管混凝土轴压短柱采取加肋的办法不能提高其承载力，可略微改善其延性。

关键词：工程结构；钢管混凝土；本构模型；有限元法；弹塑性法

中图分类号：TU318+.1 文献标示码：A

0 引言

钢管混凝土在压应力作用下，存在约束

套箍作用，这种作用使得其承载力提高，延

性改善；此外，钢管混凝土还具有施工方便

以及造价经济合理等优点，在我国高层超高

层建筑结构、城市桥梁和大跨度建筑中得到

广泛应用

[1]

。

在钢管混凝土轴压短柱的非线性分析

中，丁发兴等

[2]

基于给定的混凝土轴对称三

轴受压应力-应变关系和钢材本构模型，采

用弹塑性法对圆钢管混凝土轴压短柱进行

全过程分析，计算结果与试验结果符合较

好，可混凝土受压应力-应变全曲线上升段

存在弹性模量衰减过快的缺点，对钢管混凝

土轴压短柱的上升段曲线计算结果略有影

响。此外，采用大型有限元商业软件对钢管

混凝土构件和结构的力学性能进行三维实

体单元的非线性有限元分析也是一种有效

的方法，韩林海等

[1,3,4]

在总结已有研究成果

的基础上，采用 ABAQUS 有限元软件，通

过对大量钢管混凝土构件试验资料进行数

值分析，提出可分别用于圆形和方形钢管混

凝土结构分析的核心混凝土等效应力-应变

关系表达式，目前该本构关系为国内大多数

学者所采用。

为丰富和发展可供 ABAQUS 有限元软

件应用的混凝土本构关系，笔者试图建立通

用的混凝土本构关系，为此，本文主要工作

如下：1）修正混凝土单轴受力应力-应变关

系统一计算公式和轴对称三轴受压应力-应

变关系；2）以混凝土轴对称三轴受压应力-

应变关系的弹塑性法的计算结果为依据，基

于混凝土单轴受力应力-应变关系统一计算

公式，采用 ABAQUS 有限元方法，对混凝

土塑性-损伤模型中的膨胀角参数进行标

定，实现圆、方、矩形钢管混凝土和钢筋混

凝土轴压短柱三维非线性有限元分析，建立

通用的混凝土本构关系；3）采用 ABAQUS

有限元软件，对相同含钢率下的方形钢管混

凝土、矩形钢管混凝土、方形带肋钢管混凝

土、矩形带肋钢管混凝土和钢筋混凝土轴压

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-2-

短柱的荷载-应变曲线进行数值仿真分析，

探讨各种短柱的受力性能和约束套箍作用。

1 材料本构关系

1.1 混凝土单轴受力应力-应变关系

在文献[5]提出的不同强度等级混凝土

单轴受压应力-应变关系全曲线统一计算式

的基础上，修正如下：

(1)

1( 2)

Ax B x

AxBx

⎧

+−

≤

⎪

+−+

⎪

⎨

⎪

−+

⎩

（）

(1)

式中：y=σ

，x=ε/ε

，f

为混凝土轴心抗压

强度，ε

为混凝土受压峰值应变，f

为混凝

土立方体抗压强度，f

=0.4f

7/6

，ε

＝383

7/18

×10

-6

；参数 A

的物理意义为混凝土弹

性模量与峰值割线模量比值，A

=9.1 f

-4/9

，

与文献[5]提出的公式相比，式(1)中增加的

参数 B

为控制上升段曲线弹性模量衰减程

度的物理量，按照混凝土弹性模量的定义，

上升段曲线当 σ＝0.4 f

之前，曲线基本上是

一条直线，即当 x＝0.4 f

，y＝0.4 时，求

得参数 B

＝1.6(A

－1)

；α

为混凝土单轴受

压应力-应变曲线下降段参数，考虑到实际

工程中混凝土通常处于箍筋、碳纤维布或钢

管的约束中，约束状态下的混凝土在试验破

坏过程中的脆性远不如素混凝土明显，因

此，在混凝土结构的非线性有限元分析中，

对 α

统一取值：α

=0.15。

在文献[6]提出的不同强度等级混凝土

单轴受拉应力-应变关系全曲线统一计算式

的基础上，修正如下：

(1)

1( 2)

Ax B x

AxBx

⎧

+−

≤

⎪

+−+

⎪

⎨

⎪

−+

⎩

（）

(2)

式中 y=σ/f

，x=ε/ε

，混凝土轴心抗拉强度 f

＝ 0.24f

2/3

，混凝土受拉峰值应变 ε

＝

33f

1/3

×10

－

，上升段参数 A

＝1.306，参数

＝5(A

－1)

/3＝0.15，下降段参数 α

＝1＋

3×10

-4

。

1.2 混凝土轴对称三轴受压应力-应变

关系

在文献[2]提出的不同强度等级混凝土

轴对称三轴受压应力-应变关系全曲线统一

计算式的基础上，修正如下：

(1)

1( 2)

Ax B x

AxBx

⎧

+−

≤

⎪

+−+

⎪

⎨

⎪

−+

⎩

（）

(3)

式中：y=σ

L,c

，x=ε

L,c

/ε

，σ

L,c

为混凝土的轴

向应力，ε

L,c

为混凝土的轴向应变，f

为混

凝土三轴受压的轴向极限强度，ε

为混凝土

轴向峰值应变，按文献[2]，f

=1+3.4σ

r,c

，

=ε

(1+3.4σ

r,c

) [1+4.8(A

-1)(σ

r,c

)

0.5

] ，

[1+4.8(A

-1)(σ

r,c

)

0.5

]，参数 B

为控制

上升段曲线弹性模量衰减程度的物理量，按

照混凝土弹性模量的定义，上升段曲线当

L,c

＝0.4 f

之前，曲线基本上是一条直线，

即当 x＝0.4 f

，y＝0.4f

时，可求得

参数 B

的表达式

(2)( )

(1 )

yA xyAxx

−−−

−

(4)

为曲线下降段参数，取 α

=α

=0.15。

混凝土泊松比的割线值(ν

)表达式取值

为：

cff0 a

()1() 1, 1

1, 1

vxyy

vvvv x yy

vxy

≤≤

⎧

⎪

−

⎪

−− − ≤ <≤

⎨

−

⎪

⎩

(5)

式中，ν

＝0.2，ν

、ν

分别为初始泊松比值

和破坏时的泊松比割线值，根据对钢管混凝

土轴压短柱力学性能的分析，取 ν

＝1－

0.0025(f

－20)，y

＝0.3＋0.002(f

－20)可获

得较理想的结果。

1.3 钢材应力-应变关系

钢材本构模型采用弹塑性(硬化)本构模

型，强度准则采用经典的 Mises 屈服准则，

其应力-应变关系表达式

[2]

如下：

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