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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
1
丁发兴
1,2
，周林超
1
，余志武
1
，欧进萍
2
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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