竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱力学性能数值分析

竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱力学性能数值分析

摘要：针对竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱的力学性能进行了非线性数值模拟。通过建立三维有限元模型，模拟了四肢钢管混凝土格构柱的破坏形态，并根据该模型讨论了核心混凝土强度等级、钢材等级与钢管的壁厚、长径比等参数对构件受力性能的影响。模拟结果与试验数据吻合较好，可为工程设计提供参考依据。

关键词：钢管混凝土格构柱；竖向均布荷载；有限元法；非线性分析钢管混凝土格构柱是指以钢管混凝土为柱肢，以空钢管、型钢或钢板为綴件连接而成的格构式构件。它能将钢管和混凝土有效地组合，充分发挥二者的材料性能，使之具有承载力高、塑性和韧性好、造价经济合理等优点。格构柱具有以较小直径的柱肢取得较大截面抗弯刚度的特性，且柱肢以受轴向压力为主，充分发挥钢管混凝土受压强度大的特点，因此广泛应用于钢管混凝土拱桥、工业厂房等建筑的结构柱中。

国内外已有众多学者对钢管混凝土格构柱的力学性能进行了研究，并取得一些成果。文献[1 - 5]研究了在轴压和偏压荷载作用下的钢管混凝土格构柱的极限承载力，文献[6]运用极限平衡法求解了钢管混凝土格构柱在同时受轴力和弯矩作用下的极限承载力，文献[7]在钢管混凝土统一理论的基础上得到了验算构件整体稳定性的设计公式。

本文针对在竖向均布荷载作用下的四肢钢管混凝土格构柱，建立了三维有限元分析模型，对其破坏形态进行了非线性数值模拟，并根据该模型讨论了部分参数对其受力性能的影响，可为工程设计提供参考依据。

1 四肢钢管混凝土格构柱有限元分析模型的构建

1.1 试件描述

文献[8]针对竖向均布荷载下的钢管混凝土格构柱的多种试件进行了试验研究。本文选取其中较为典型的编号为LC4A - 4的试件作为研究对象，其构造形式及相关参数分别见图1与表1。

1.2 三维有限元分析模型

参考文献利用ANSYS软件，[9]的试验过程，建立了三维非线性有限元分析模型，其坐标原点位于柱底截面的中心位置，如图2所示。边界条件施加在与钢板上、下部垂直的x轴中线上。当施加约束时，底部钢板约束节点的所有自由度，顶部钢板约束节点的水平方向自由度，同时为了使数值模拟和真实的模型试验更加接近，耦合柱子顶部钢板所有节点的竖向自由度。加载时，在顶部钢板沿z轴的负方向施加均布面荷载。

a—格构柱立面；b—四肢柱横截面。

图1 四肢钢管混凝土格构柱构造

表1 四肢钢管混凝土格构柱参数mm

柱肢钢管外径ds柱肢钢管壁厚ts缀管直径D1y缀管壁厚t1y1024344

图2 四肢钢管混凝土格构柱有限元模型

为了在保证计算结果精确度的同时提高计算速度，本文在计算时，对网格进行调整，在重要塑性区域网格划分的密度大些，在节点域及其附近，由于应力梯度较大，故适当加密网格，在离节点域较远的部分则选用较稀疏的网格。在进行网格划分时，除接触单元之外，所有单元都是以正六面体单元来划分的，各相邻的网格顶点必须重合。所有混凝土和缀管单元均采用映射划分；对于主管，在主管和缀管相交处周围区域采用自由划分，其他主管区域采用映射划分；对于加载垫板，在加载垫板和主管相交处周围区域采用自由划分，其他区域采用映射划分。

为了避免在加载过程中导致的端部局部破坏，在试验时构件上、下两端各设置了一块150 mm的钢板，通过钢板将荷载传递至构件[10]。因此，在进行有限元建模时，为了模拟实际试验中传递均布力的加载板，本文在

格构柱模型的两端，采用实体单元Solid 45来模拟设置了两块具有较大弹性模量的端板，格构柱与钢板的连接处采用共用节点的处理方式。考虑钢管套箍作用的影响，核心混凝土本构选用韩林海的约束混凝土本构模型[9]。

对于Q235、Q345等常见的建筑工程低碳钢来说，一般可将钢材的应

力- 应变关系曲线分为弹性阶段(oa)、弹塑性阶段(ab)、塑性阶段(bc)、强化阶段(cd)和二次塑流阶段(de)5个阶段，如图3所示，图中虚线表示

钢管的实际应力- 应变关系，实线表示简化的应力- 应变关系。

图3 钢管的应力- 应变关系

图3中：fu、fy、fp分别为钢材的极限强度、屈服强度、比例极限；Es为钢材的弹性模量；εe为比例极限所对应的应变值；εe1为进入屈服阶段所对应的应变值；εe2为进入强化阶段所对应的应变值；εe3为强

度极限所对应的应变值。