对钢管混凝土抗剪试验ABAQUS建模

混凝土和盖板 面面接触
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Load：
位移加载，约束构件底端加载板 底端控制U1、U2、U3方向位移 顶部受剪区域的U3方向施加位移加载量
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Visualization：
0 0 5 10 15 20 25
△/mm
由以上荷载位移曲线可以看出，方钢管得极限承载力相对误 差很小，但是荷载-位移关系初期，计算变形小于实测结果。
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分析原因
• 在荷载-位移关系初期，可能是试验得出的位移值包含了支座处的 钢管受压变形而产生的位移等从而使实测位移值偏大； • 建模方式的问题； • 钢材与混凝土所采用的本构关系与论文所采用的不符合； • 试验信息不完全，比如夹具的厚度。
现有试验，计算结果和试验结果吻合较好。之后采用该模型对钢材强度、混 凝土强度及构件截面含钢率等参数进行有限元分析，得出各个因素对构件抗 冲击能力的不同影响结果。
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王蕊等(2008)[3]利用落锤冲击试验机对3组套箍系数分别为 1，1.15和1.9的两端 简支钢管混凝土进行侧向冲击实验。基于实验研究结果，建立了局部变形和 整体变形的计算公式，其理论计算的跨中挠度值和实验结果较为吻合，并为
本算例选自文献：黄勇，陈伟刚，段莉．钢管混凝土短柱(剪力键)受
剪性能试验研究[J]．建筑结构学报，2011，32(12)：178-185.
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实验装置图
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2.2.2 悬臂式
位移加载，约束构件底端加载板
底端控制U1、U2、U3方向位移
顶部受剪区域的U3方向施加位移加载量
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改变建模方式，从悬臂式换成简支式 Load：
两端支座位置控制U1、U2方向位移
跨中受剪区域的U3方向施加位移加载量
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试件B3荷载-位移曲线
120 100 80 250 200
试件A2荷载-位移曲线
F/kN
60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30
加载试验。
方钢管短柱截面边长为150mm，厚4mm，剪跨比为2.61；圆钢管短柱 截面钢管外径为 D = 165mm ，厚 4mm ，剪跨比为 2.87 。试件长度均为
550mm。钢材屈服强度fy=306.2MPa,实测钢材弹性模量Es=194000N/mm2。
混凝土立方体抗压强度 fcu=34.2MPa, 实测混凝土弹性模量 Ec=31100N/mm2 。本模拟采用的是实测的弹性模量。
温媛媛、刘亚玲(2009)[6]通过落锤冲击实验，对固简支钢管混凝土柱在侧向冲 击荷载作用下的动力响应问题进行了研究，分析了钢管壁厚、落锤冲击高度 对最大冲击力、冲击力作用时间及构件挠度值等因素的影响，为钢管混凝土 构件耐撞性能的研究提供了依据。
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李珠等(2009)[5] 利用落锤式冲击试验机对3组不同壁厚两端固定钢管混凝土构 件分别进行了不同落锤下落高度侧向冲击下的冲击实验，揭示了套箍系数和 冲击能对两端固定钢管混凝土构件的临界冲击能的影响，为进一步研究奠定 了基础。
2.1.1 建模要点
Property：创建三种材料属性
核心混凝土本构关系模型--采用塑性损伤模型
钢材本构关系模型---选用二次塑流模型 加载板采用刚度很大的弹性材料 Interaction： 实体建模 钢管与混凝土 面面接触 钢管与盖板 tie绑定 混凝土和盖板 面面接触 壳体建模 钢管与混凝土 面面接触 钢管与盖板 壳实耦合
组会报告
导师：王文达 史艳莉 学生：何佳星
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主要内容
文献综述 数值模拟 遇到问题 近期计划
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一、文献综述
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钢管应力云图
混凝土应力云图
当达到极限承载力时，钢管壁在底端所承受的应力最大，而核心 混凝土所承受的应力很小。
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2.1.2 模型验证
250 200
A2试件荷载-位移曲线
F/kN
150
100
试验值 模拟值（实体）
50
模拟值（壳体）
试验还很少。所以系统研究其力学性能及设计方法具有重要的意义
。
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二、数值模拟
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2.1 试验工况
为研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土短柱(剪力键) 的受剪性能、延性 及耗能能力、破坏形式等，分别对方形和圆形截面的钢管混凝土进行单调
进行有限元分析。研究表明：构件受力时，外围钢管的应力远远大于内部混
凝土的应力; 试件应力、应变时程曲线表现出典型弹塑性材料的性质，数值增 加到最大值后递减，最终形成残余应力、应变。
章琪等(2013)[14] 利用ABAQUS 对钢管混凝土结构受压承载力及受侧面撞击后 的变形进行了模拟分析，数值模拟结果与已有试验结果吻合较好，之后用准
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2.2 试验工况
圆钢管短柱截面钢管外径为D = 160mm，厚5.5mm，剪跨比为0.4。试 件 长 度 为 232mm 。 钢 材 屈 服 强 度 fy=377MPa, 混 凝 土 立 方 体 抗 压 强 度 fcu=34.2MPa。 本算例选自文献：徐春丽．钢管混凝土柱抗剪承载力试验研究[D]. 山 东: 山东科技大学，2005.
王洪欣等(2010)[7]采用落锤冲击实验和有限元方法对空心钢管混凝土构件的抗 侧向冲击性能进行研究，结果表明：提高材料的强度、加强构件的边界约束 可以提高构件的抗冲击性能，而空心率的增大降低了构件的抗冲击性能。
余敏 、查晓雄(2011)[8]采用有限元方法对实心和空心钢管混凝土构件在侧向
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试件上的轴力荷载作用点由球铰连接 ,横向荷载作用在夹具上。两 简支支座与钢管表面接触部分也车成圆弧状以利于试件的纵向转动。在 跨中的横向力作用点,特制了一副加载夹具，夹具厚度为60mm,横向荷 载P作用在该夹具上。
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张望喜等 (2006)[1] 在轻气炮试验装置上对 8 个钢管混凝土柱模型进行了冲击试 验，并利用LS-DYNA有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟。结果表明，
冲击荷载作用下试件残余变形、应变变化直接与弹体冲击速度有关;装夹部位
设在试件中部更能真实的模拟试件受力的真实情况。
张晨等 (2007)[2] 针对钢管混凝土构件，利用ANSYS软件建立有限元模型模拟
在侧向冲击作用下的动力响应进行了模拟和分析比较。结果表明，对于两端
固支、固简、简支和悬臂四种约束情况，随着约束的减弱，构件的最大位移 逐渐增大；而随着约束的增强，构件的稳定性越来越好。
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张晨、徐勋倩(2011)[13] 利用冲击试验机对24 根两种不同壁厚的钢管混凝土构 件进行轴向冲击实验，并利用ANSYS-DYNA对钢管混凝土短柱抗冲击的性能
落锤冲击作用下的试验进行模拟及验证，得出了汽车撞击荷载及构件的耐撞 性随着空心率变化的规律，并给出汽车冲击力的计算方法。
侯川川等(2012)[9]建立钢管混凝土试件在冲击荷载下的有限元计算模型，并用 落锤冲击实验的试验结果对有限元模型精度进行验证。在此基础上，采用该
模型分别对冲击能量、构件截面含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度等主要
2.2.1 简支式
Load：
两端支座位置控制U1、U2方向位移 跨中受剪区域的U3方向施加位移加载量
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Visualization：
钢管应力云图
混凝土应力云图
钢管混凝土应力云图
随着外荷载的逐渐增加,试件开始有明显的变化,特别表现在试件端 部盖板受内部混凝土的挤压,会产生十分明显的鼓出现象。当达到极限 承载力时，钢管壁在支座处所承受的应力最大，而核心混凝土所承受 的应力很小。 在达到极限荷载时,试件的变形仍逐渐增加,钢管的受压一侧凹进去, 相应的另一侧外凸,最终会听到啪的断裂声,钢管混凝土在支座处被剪断 。
参数进行参数分析，得出了各个因素对构件抗冲击能力的不同影响结果。
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陈建平等 (2012)[10] 基于 ANSYS/LS-DYNA 有限元软件，对两端固支钢管混凝 土柱在横向冲击荷载作用下的落锤冲击试验进行仿真模拟，得出横向冲击荷 载下两端固支钢管混凝土具有良好的塑性变形能力和较好的抗冲击力学性能 的结论。 李立军、王蕊(2012)[11] 对两端固定约束下同一壁厚的钢管混凝土构件在五种 不同冲击高度下进行落锤冲击试验，试验结果表明：对于壁厚较大的试件， 其冲击力时程曲线主要经历冲击力迅速加载、平台值和卸载三个阶段；随着 冲击能量的增加，构件的动力响应越明显。 于璐、徐亚丰(2012)[12]利用ABAQUS 软件对4根十字形钢管混凝土芯柱构件
F/kN
150
试验值 模拟值
100
试验值 模拟值（实体 建模）
0 5 10 15 20 25
50
0
△/mm
△/mm
问题：由试验得出的曲线可以看出，方钢管随着荷载的增大，位移缓慢增 大，并没有由弹性阶段到塑性变形时荷载增大位移显著增大的现象，而在 模拟时，方钢管和圆钢管一样，都会出现明显的转折，原因？
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对圆钢管用同样的建模方式建模得出荷载-位移曲线
B3试件荷载-位移曲线
160
140
120
F/kN
100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 试验值 模拟值（壳体） 模拟值（实体）
△/mm
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静态计算方法给出构件受撞击后剩余受压承载力的拟合计算公式，拟合公式
对工程实际有一定的参考价值。
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小结
可以看出，目前对于钢管混凝土等结构形式在冲击荷载下的力
学性能已经展开了一些相关的研究工作，包括试验研究和理论研究
。理论研究主要包括数值模拟和简化模型。很多研究者建立了相关 的有限元模型，并采用试验数据对模型的精度进行了验证。 但对于钢管混凝土构件的冲击问题中还有待进一步深入研究。 特别是内配型钢的钢管混凝土构件，作为一种新型组合构件，已经 在工程实践中得到应用，但现有实验中对这种类型的构件的抗冲击
临界破坏冲击能的计算提供了方法。
任够平等(2008)[4] 利用落锤式冲击试验机对不同壁厚和约束情况的26根钢管混
凝土构件进行了不同落锤下落高度的侧向冲击实验，测定了试件的跨中最终
挠度随冲击能量 E 、套箍系数ξ、约束类型的变化数据，并采用 ANSYS/LSDYNA 程序模拟了跨中最终挠度和挠曲线，模拟结果与试验结果吻合较好， 为后继研究打下基础。