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基于ANSYS的圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力分析

广东建材2010年第4期 研究与探讨 
基于ANSYS的圆钢管混凝土 
轴压短柱极限承载力分析 
黑文豪许波 
(中南大学土木建筑学院) 

摘 要:圆钢管混凝土是圆钢管内填充混凝土后形成的一种组合截面构件,在工程结构中已经得到 
了广泛的应用。本文借助有限元分析软件ANSYS,考虑两种材料本构关系的非线性建立了组合截面短 
柱在轴压作用下的非线性有限元模型。并通过数值算例采用剥离分析的方法,得到了轴压作用下处于 
复杂应力场的极艰承载力,以及钢材和核心混凝土轴力分配与纵向应变的关系曲线,与试验结果对比 
相吻合。 
关键词:钢管混凝土:轴压;非线性有限元;套箍约束 

1概述 
钢管混凝土以其优越的结构性能受到工程师的青 
睐,工程应用越来越广泛。由于钢管对核心混凝土的约 
束套箍作用使核心混凝土处于三向受压状态从而使核 
心混凝土具有更高的强度和压缩变形能力。同时,由于 
核心混凝土的支撑作用可以避免或延缓钢材发生局部 
屈曲,从而保证其材料性能的充分发挥。 
本文借助有限元软件ANSYS对轴压钢管混凝土短 柱进行了有限元分析,考虑两种材料本构关系的非线性 建立有限元模型并与参照文献 的试验结果对比,分析 了轴压钢管混凝土的极限承载能力及破坏过程中各内 力和纵向应变的变化情况,揭示了钢管对核心混凝土的 套箍约束作用的本质。 2材料本构关系 2.1钢材 钢材的应力一应变关系曲线按下式确定(图1): O 0v c对 c- ej 图1钢材的应力一应变曲线 式中:o 为钢材应力,f 为钢材屈服强度,f..为钢 材的极限强度,取f..=1.5f ;E 为钢材弹性模量,取E =2.1×10s,E 为强化模量,E = E ;£ 为钢材的应变, e 为钢材屈服时的应变,e 为钢材强化时的应变,e 为钢材达到极限强度时的应变,e..=e。++0.5f( E )。本s/ 文参照文献 1],取£ =12£ £ =120£v,‘:1/216。 2.2核心混凝土 本文采用韩林海提出的核心混凝土的应力一应变 
关系模型[1],该模型充分考虑了约束效应系数的影响, 
参数设置较为合理,系数回归时取得了很多试验数据, 
是目前较为理想的一种模型,其应力应变关系模型为: 


7 





£ 
£ 
£ 

研究与探讨 广东建材2010年第4期 
表1材料参数 
外径 钢管厚 长度 钢管材料参数 核心混凝土参数 试件编号 
D(咖) t(mm) L(mm) A (mm ) f (MPa) E。(MPa) A (mm0) f (MPa) E (MPa) 

M—C—l—l20h 140.3 3.62 4l8 1552.4 325.3 210000 13905.4 46.2 37000 

图3杆件结构图 
f 
ck【1. +( )(-0.07485毛2+0.57 )j 

e。一 +
[1400+so0( ) 

=1300+14.93f k(u£) 

A:2.0一K:B=1.0一K 
0.745 
K=0.1毛 

q 
B=(2.36 ̄10 )。。 ㈨’ 5

0×(f。k)。1


0×10 

f ——混凝土标准强度(以MPa为单位代入) 

乏——套箍系数(=a ),f 为钢管屈服极限,a为 
ck 
构件截面含钢率(=A /A )。A 和A 分别为钢管及其核心 

漏凝士的横截面积。 
3有限元模型的建立 
本文以文献 。 中的钢管混凝土试件M—C一卜120h为 
例,采用与试验相同的几何尺寸和材料参数建立有限元 
模型进行分析,试件的情况如表1所示。 
计算采用的基本假定为:①不考虑普通钢筋对承载 
力的影响;②混凝土和钢管之间无相对滑移;③位移场 
始终连续: 
根据各个单元的特性,混凝土采用Solid65单元, 
本构关系采用韩林海提出的核心混凝土的应力一应变 
关系模型(图1),强化模型采用多线性等向强化模型 

8一 

图4约束及加载图 
(MISO)。考虑混凝土的特点提出相应的破坏准则,国内 
外大量研究表明,线性莫尔准则f5](Mohr—Coulomb屈服 
准则)对三向受压混凝土有很好的适用性,与试验结果 
吻合较好,因此在本文中采用Mohr—Coulomb准则,对核 
心受压混凝土其强度条件可以表述为:O ≤f。+k O (取 
k=3)。钢管采用Solid45单元,本构关系采用由四段曲 
线构成的钢材一维应力一应变关系曲线模型(图2),屈 
服准贝0为Mises准贝0_4]。 
为避免端部约束或加载等局部效应的影响,杆件 
上、下端设置15m Ill厚钢垫板,杆件结构图如图3。约束 
端施加X、Y、Z三个方向的约束,加载端施X、Y方向约束 
并施加Z方向位移荷载,荷载值取:一5.0mm。约束及荷载 
图如图4。 
考虑混凝土开裂、端部约束的影响,为了在ANSYS 
计算时能够达到收敛并且收敛精度较好,本文没有考虑 
混凝土的压碎,在设置Solid65单元时,关闭了压碎选 
项。 

4 ANSYS计算结果 
为揭示钢管混凝土轴压短柱的受力机理,参照文献团 
采用剥离分析法,根据测定逐级荷载下钢管外表面的纵 
向应变和环向应变,利用数值方法,计算出钢管的内力, 
在由平衡条件确定核心混凝土的内力变化,以此来确定 
钢管和核心混凝土的内力变化。 
本文参考文献 z 的剥离分析法,提取ANSYS计算结 
果进行分析。从图7(钢管O 应力云图)可以看出时问 
历程的最后阶段钢管环向应力O 在构件两端为压应 
广东建材2010年第4期 研究与探讨 
图5核心混凝土应力云图 
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图7钢管应力云图 

力而构件中部鼓胀部位出现拉应力,此时由图6(钢管 o 应力云图)可以看出钢管轴向压应力从加载端及约 束端向构件中部鼓胀部位由大到小的对称过渡。由图5 (核心混凝土0 应力云图)可以看出核心混凝土的轴 向压力从核心向外径由小到大过渡,且中部鼓胀位置比 加载端及约束端大。取中部鼓胀部位钢管O 压应力最 小的单元,提取该单元轴向应力o z—e过程曲线,由 o 可求得钢管纵向内力N。,Ns 0 zA。,由平衡条件: N--N +Nc可以得到作用在核心混凝土上的外力Nc, Nc=N—N。,从而可以得到轴向压力N、钢管纵向内力N 、核 心混凝土上的外力 与纵向应变e的历程关系曲线, 如图8(极限承载力及钢管与混凝土之间的轴力分配 图)。 5结论 (1)本文采用有限元程序ANSYS建模计算出的构件 极限承载力及采用剥离分析方法剥离出的钢管与混凝 土的各自受力都与参考文献中的试验结果吻合较好。 (2)核心混凝土由于受钢管的约束其轴向抗压能力 舞 ===:= 黑 T 豫LY5Eor LA HAN ARL" ̄I B I*£ 图6钢管应力云图 l|00 I"O 逼"o 生 ●SO 0 0 ’D口口|000 IZOOO e,lL£ 图8极限承载力及钢管与混凝土之间的轴力分配图 得到较大提高,钢管为混凝土提供径向约束的同时纵向 
应力大幅降低而环向拉应力大幅提高。 
(3)由于钢管对混凝土的约束作用,加载后期出现内 
力由钢管向核心混凝土转移的现象。● 

【参考文献】 
[1]陈宝春,陈友杰,王来永,韩林海.钢管混凝土偏心受压应 
力一应变关系模型研究[J].中国公路学报.2004.1,17(1):P 
24~28 
[2]王玉银,张素梅.圆钢管高强混凝土轴压短柱剥离分析[J]. 
哈尔滨工业大学学报.2003.8,35(增刊):P31 ̄34 
[3]韩林海.钢管混凝土结构[ .北京:科学出版社,2004 
[4]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版 
社,2007 
[5]高金良,梅甫良.基于莫尔强度理论的钢管混凝土轴心受压短 
柱承载力计算[J].四川建筑科学研究所,2007.10,33(5): 
P126~】29 


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