高强冷弯矩形钢管混凝土柱偏心受压力学性能数值模拟研究

2022-09-13江子航肖家浩申兴月

广东建材 2022年8期

江子航翟荃肖家浩申兴月

（长江大学城市建设学院）

0 引言

钢管混凝土结构以其自重轻、耐疲劳和冲击、抗震性能好等优点，已经被广泛地用于现代工程实际中，到目前为止，国内外学者们对普通强度钢管混凝土结构的力学性能做了很多研究[1-5]。Mursi 等[6]以“条带模型”为基础，对箱形钢管混凝土柱在弹性和塑性阶段进行了局部失稳分析，发现随着宽厚比的增大，其局部屈曲发生了显著的变化；陈勇[7]对42 个冷弯薄壁钢管混凝土短柱进行了实验和数值模拟，发现在轴压作用下，此类短柱主要是剪切破坏，并且给出了极限压应力、极限压应变和极限承载力的计算公式；陶忠等[8]对8 根冷弯钢管混凝土柱轴压、纯弯和压弯性能进行了试验研究。在此基础上，给出了三种不同应力状态下的加载-变形关系的全过程，计算结果与实验数据比较接近，仿真精度较高。

本研究基于高强冷弯矩形钢管混凝土柱进行三种影响因素下的偏心试验，三种因素为长细比、宽厚比和偏心率，同时利用ABAQUS 有限元分析软件对偏心作用下高强冷弯钢管混凝土柱在上述影响因素下的变形破坏进行模拟分析，并且将实验结果与模拟结果进行分析对比，为这一类构件的有限元研究提供参考。

1 高强冷弯钢管混凝土柱偏压数值模拟

1.1 试件设计与制作

为了探讨高强度冷弯矩形钢管混凝土柱体的偏心特性，本实验采用单向偏心受压实验。高强冷弯钢管混凝土柱偏压示意图如图1 所示。试件的相关参数信息见表1。

图1 加载示意图

表1 试件尺寸与参数

1.2 核心混凝土的本构模型

本研究利用ABAQUS/标准模组对其进行了力学性能仿真，选取了模型库内的塑性损伤模型，并利用陈宝春[9]所述的核心混凝土的应力-应变关系模型，得出了在偏心荷载作用下核心混凝土本构模型：

1.3 钢材的本构模型

本研究根据Q420 高强度钢的材性实验结果，发现其应力-应变曲线不存在明显的弹塑性、二次塑性阶段，而是直接进入了强化阶段，仅显示了弹性和强化期的特性，因此根据简化的双线性模型[10]，将钢材的本构关系划分为两个阶段，即当到达屈服应力fy前是弹性阶段，其应力-应变遵循胡克定律σs=Es·εs；再到强化阶段，钢材的应力-应变都是线性的。用以下方法对钢材的材性数据进行了线性回归：

因此，高强钢材的本构关系可表示为：

式中，σs、εs分别为钢材的应力、应变；fy为钢材屈服强度；εy为钢材屈服强度对应的屈服应变。

1.4 ABAQUS 模型建立

使用ABAQUS 软件进行建模，对高强冷弯钢管混凝土柱进行偏压受力分析。高强冷弯钢管混凝土柱构件主要由Q420 钢管和C40 混凝土及柱端的加载端板组成。钢管、加载端板、混凝土均采用八节点减缩积分的实体单元（C3D8R）；所有单元都为实体单元，所以采用六面体单元网格进行网格划分。钢管与混凝土的切向行为定义成有摩擦，使用罚函数，其摩擦系数是0.25。法向行为的定义是硬接触。模型的加载方式和边界条件如图2 所示。构件在偏心力作用下可以使其在z 方向转动，同时需要限制x、y 轴方向的位移。构件的两端都需要设置为在z 轴方向有转角。

图2 加载和边界条件

2 有限元与试验对比分析

图3 给出了ABAQUS 模拟高强冷弯矩形钢管混凝土偏压柱受力结果的应力云图，9 根构件都表现良好的偏压性能，基本上都是弯曲破坏。

图3 ABAQUS 模拟结果

有限元模拟的结果与试验结果对比如图4 所示。图4a、b、c、g、h、i 展示了试件的荷载-位移曲线，图4d、e、f 展示的是试件的荷载—横向挠度曲线。分析9 根试件的弹性阶段，有限元模拟的曲线的斜率比实验曲线稍高，但偏差较小。从ABAQUS 结果整体情况来看，构件都处于屈服状态，与试验结果吻合程度较高，表明有限元模拟结果比较好。

图4 有限元结果与试验结果对比

3 参数分析

本研究在实验的基础上，通过使用有限元模拟得到的数值结果进行计算，得到了偏心率、宽厚比与长细比三个参数对高强冷弯钢管混凝土柱偏心受压下的N/Nu-M/Mu 曲线如图5 所示。控制三个参数中两个不变时，比较另一个参数对构件的N/Nu-M/Mu 曲线的影响。从图5a 可以看出，构件的宽厚比越小时，曲线包含的面积就越大；在图5b 中，当三个构件的偏心距在慢慢减小时，曲线包络的面积也在减少；在图5c 中，构件的长细比在慢慢减小时，曲线包络面积是在慢慢增大。分析三个参数的N/Nu-M/Mu曲线可以看出：构件的长细比和偏心距对曲线的影响比宽厚比大；同时长细比和偏心距曲线的起点和终点是越来越靠近原点坐标，曲线的鼓曲程度也有所下降，表明构件的承载力已经开始下降；特别是当加载进行到后期时，由几何变形引起的二阶弯矩对构件的承载力的影响慢慢变大，曲线便会越来越往里面靠，包络的面积在减小；构件的长细比和偏心距越大时，曲线越趋向于一条直线。