圆中空夹层钢管混凝土压扭构件有限元分析_黄宏
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Theoretical research on concrete filled double-skin steel tubular members subjected to compression and torsion
HUANG Hong，GUO Xiaoyu，CHEN Mengcheng （ School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）
采用全构件建模，构件一端固定，即限制 x、y、z 三方向的位移； 另一端自由，为加载端，如图 2 所示。 在自由端 盖 板 上 建 参 考 点，与 盖 板 耦 合。 加 载 工 况 分为两种，即 先 压 后 扭 和 先 扭 后 压 对 于 先 压 后 扭 加 载工况，先 对 自 由 端 施 加 轴 力 并 保 持 不 变。 然 后 在 参考点上施加转角位移以实现扭矩的位移加载； 对 于先扭后压 加 载 工 况，先 在 参 考 点 上 施 加 扭 矩 并 保 持不变，然后 对 自 由 端 施 加 轴 向 位 移 以 实 现 轴 力 的 位移加载。 1. 2 有限元分析结果试验验证
332
0 引言
1 有限元模型建立及其结果校验
当实心钢 管 混 凝 土 用 于 大 偏 压 柱 时，靠 近 形 心 的核心混 凝 土，不 能 充 分 发 挥 作 用。 用 空 钢 管 取 代 中心混凝土 而 形 成 的 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土，继 承 了 实心钢管混 凝 土 的 优 点，又 具 有 抗 弯 刚 度 大 和 质 量 轻的特点，研 究 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土 的 压 扭 性 能 是 研究其他复杂 受 力 状 态 下 力 学 性 能 的 基 础。 与 方、 矩形截面相比，圆形截面具有更好的力学性能，不易 发生局部屈曲［1］。
本文利用软件 ABAQUS 对构件的破坏形态、剪 应力在横截 面 上 的 分 布、内 外 钢 管 与 混 凝 土 的 相 互 作用、内外钢 管 与 混 凝 土 各 自 承 担 的 荷 载 等 进 行 分 析，研究先扭 后 压 和 先 压 后 扭 两 种 加 载 工 况 对 圆 中 空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响。并在 先压后扭加载工况下分析空心率对压扭构件荷载-变 形关系的影响。
n
Tuc / （ kN·m）
Tue / （ kN·m）
Tuc / Tue
Scv1-1
Fra Baidu bibliotek165
2. 9
60
2. 7
550
391
275
60
0. 2
35. 24
36. 48
0. 96
基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 51008122 ） ，国 家 973 计 划 前 期 研 究 专 项 （ 20122BAB206006 ） ，江 西 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 2011CB612210） 。
作者简介： 黄宏（ 1977— ） ，女，江西樟树人，工学博士，副教授。E-mail： hhong@ ecjtu． jx． cn 收稿日期： 2013 年 5 月
采用有限元对 文 献［8］中 的 圆 中 空 夹 层 钢 管 混 凝土构件进行模拟，并将计算结果与试验结果进行比
333
表 1 试件主要参数 Table 1 Parameters of specimens
试件编号
Do /
to /
Di /
ti /
L/
fyo /
fyi /
fcu /
mm
mm
mm
mm
mm
MPa MPa MPa
图 1 构件截面示意及网格划分 Fig． 1 Cross section and mesh generation
1. 1. 2 材料本构关系模型 钢管的本构关系模型采用 ABAQUS 中的塑性分
析模型，混凝 土 的 本 构 模 型 采 用 刘 威［9］ 中 改 进 后 的 塑性损伤模型，上下盖板模拟为刚体。 1. 1. 3 钢管与混凝土界面模型
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2013） S1-0332-07
第 34 卷 增刊 1 2013 年 8 月 Vol. 34 Suppl. 1 Aug． 2013
050
圆中空夹层钢管混凝土压扭构件有限元分析
黄 宏，郭晓宇，陈梦成 （ 华东交通大学 土木建筑学院，江西南昌 330013）
摘要： 利用软件 ABAQUS 对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件进行有限元分析，对构件的破坏形态、剪应力在横截面上的分 布、内外钢管与混凝土的相互作用、内外钢管与混凝土各自承担的荷载进行了分析，研究了先扭后压和先压后扭两种加载 工况对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响。并对先压后扭加载工况下空心率对钢管、夹层混凝土各自承担 荷载的影响规律进行分析。结果表明： 不同加载工况对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响不大； 加载方式不 同，钢管与混凝土相互作用的发展过程不同，极限荷载时先压后扭加载工况下的外钢管与混凝土相互作用力略大； 在压扭 复合作用下，构件破坏时，混凝土承担较大的轴力，钢管承担较大的扭矩； 空心率越大，构件中混凝土承担的扭矩越小。 关键词： 圆中空夹层钢管混凝土； 压扭； 有限元分析； 加载工况； 工作机理 中图分类号： TU398． 902 文献标志码： A
采用有限元软件 ABAQUS 建立圆中空夹层钢管 混凝土压扭 构 件 的 分 析 模 型 ，对 构 件 的 荷 载-变 形 关 系进行分析。 1. 1 模型建立 1. 1. 1 单元类型的选取与网格划分
本文中内外钢管和混凝土单元均采用 8 节点减 缩积分格式的三维实体单元（ C3D8R） 。网格划分采 用结构化网 格 划 分 技 术，用 网 格 试 验 的 方 法 来 确 定 合理的网格密度。构件中内外钢管和夹层混凝土截 面网格划分如图 1 所示。
钢管与混凝土之间的接触包括法向接触和切向 接触。选择“硬”接触作为内外钢管与夹层混凝土的 法向接触 行 为，并 且 允 许 接 触 后 分 离。 切 向 接 触 采 用库伦摩擦 模 型，摩 擦 系 数 μ 取 0. 6。在 接 触 分 析 时，选择弹性模量较大的钢管为主控面，混凝土为从 属面。为模 拟 实 际 工 程 中 的 焊 接 约 束，盖 板 与 内 外 钢管采用绑定约束。 1. 1. 4 边界条件及加载方式
Abstract： The behaviors of concrete filled double skin-steel tubular （ CFDST） members under axial compression and torsion were studied using the finite element software ABAQUS. The influence of two kinds of loading cases on the working mechanism of the CFDST members was discussed from four aspects，including failure modes，shear stress distributions on the cross section，interactions between steel tubes and concrete and loads undertaken respectively by steel tubes and concrete. And the influence of different hollow ratios on the loads resisted by steel tubes and concrete was analyzed under the first loading case that axial load was applied firstly and kept constant，then torque was applied on the component. The results indicate that different loading cases have little effect on the working mechanism of the CFDST members； the development process of the interactions between steel tubes and concrete is different under two kinds of loading cases； when the load reaches the ultimate load the confining stress between outer steel tube and concrete is larger under the first loading case； when the components are damaged，concrete resists a large portion of axial force while steel tubes resist most of torque； with the increase of hollow ratio，the torque resisted by concrete is reduced. Keywords： concrete filled double skin-steel tubular （ CFDST） ； compression and torsion； finite element analysis； loading cases； working mechanism
国内外一些学者对压扭构件的力学性能做了试 验和理论方面的 研 究。 张 誉 等［2］ 通 过 试 验 分 析 了 钢 筋混凝土压 扭 构 件 的 受 力 机 理，并 提 出 了 钢 筋 混 凝 土压扭构件承载 力 计 算 公 式 。 徐 玉 野 等［3］ 研 究 了 混 凝土异形柱在压力和扭矩共同作用下的抗扭性能， 主要考察了轴压比、截面形状、配筋情况对异形柱抗 扭性能的影响，试验结果表明，轴压比对钢筋混凝土 异形柱的抗 扭 性 能 影 响 较 大，异 形 柱 的 开 裂 扭 矩 和 极限扭矩随轴压比的增加而增大。彭淑华［4］对 H 型 型钢混凝土压扭构件极限扭矩的计算公式进行了推 导，并对不同 轴 压 比 范 围 内 构 件 的 受 力 性 能 进 行 了 分析，结果 表 明，在 一 定 的 配 筋 和 型 钢 情 况 下，公 式 计算值能够 较 好 地 反 应 构 件 的 实 际 抗 扭 极 限，在 一 定范围内，随 轴 压 比 的 增 大 构 件 的 极 限 扭 矩 增 大。 韩林海［5］利用有限元分析方法研究了实心钢管混凝 土压扭构件 在 不 同 加 载 路 径 下 的 工 作 机 理，结 果 表 明，实心钢管混凝 土 压 扭 构 件 T / Tu-N / Nu 相 关 曲 线 在不同加载路径 下 的 变 化 不 大 。 徐 积 善 等［6］ 通 过 试 验研究了钢管混凝土构件在压扭复合受力状态下的 反应及破坏机理，研究表明，钢管混凝土柱在压扭复 合受力时，具有较高的承载力和延性，能够充分发挥 两种材料的优点。 范 志 杰 等［7］ 采 用 有 限 元 分 析 方 法 对圆中空夹层钢管混凝土构件在先压后扭情况下的 荷载-变形全过程 进 行 了 分 析，并 研 究 了 在 整 个 受 力 阶段压扭构 件 的 剪 应 力 分 布、内 外 钢 管 相 互 作 用 和 轴压比的影 响，结 果 表 明，当 轴 压 比 较 小 时，随 着 轴 压比的增大，极限扭矩增加； 当轴压比较大时，随着 轴压比的 增 大，极 限 扭 矩 降 低。 但 其 并 未 讨 论 空 心 率、加载工况对构件受力性能的影响。
HUANG Hong，GUO Xiaoyu，CHEN Mengcheng （ School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）
采用全构件建模，构件一端固定，即限制 x、y、z 三方向的位移； 另一端自由，为加载端，如图 2 所示。 在自由端 盖 板 上 建 参 考 点，与 盖 板 耦 合。 加 载 工 况 分为两种，即 先 压 后 扭 和 先 扭 后 压 对 于 先 压 后 扭 加 载工况，先 对 自 由 端 施 加 轴 力 并 保 持 不 变。 然 后 在 参考点上施加转角位移以实现扭矩的位移加载； 对 于先扭后压 加 载 工 况，先 在 参 考 点 上 施 加 扭 矩 并 保 持不变，然后 对 自 由 端 施 加 轴 向 位 移 以 实 现 轴 力 的 位移加载。 1. 2 有限元分析结果试验验证
332
0 引言
1 有限元模型建立及其结果校验
当实心钢 管 混 凝 土 用 于 大 偏 压 柱 时，靠 近 形 心 的核心混 凝 土，不 能 充 分 发 挥 作 用。 用 空 钢 管 取 代 中心混凝土 而 形 成 的 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土，继 承 了 实心钢管混 凝 土 的 优 点，又 具 有 抗 弯 刚 度 大 和 质 量 轻的特点，研 究 中 空 夹 层 钢 管 混 凝 土 的 压 扭 性 能 是 研究其他复杂 受 力 状 态 下 力 学 性 能 的 基 础。 与 方、 矩形截面相比，圆形截面具有更好的力学性能，不易 发生局部屈曲［1］。
本文利用软件 ABAQUS 对构件的破坏形态、剪 应力在横截 面 上 的 分 布、内 外 钢 管 与 混 凝 土 的 相 互 作用、内外钢 管 与 混 凝 土 各 自 承 担 的 荷 载 等 进 行 分 析，研究先扭 后 压 和 先 压 后 扭 两 种 加 载 工 况 对 圆 中 空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响。并在 先压后扭加载工况下分析空心率对压扭构件荷载-变 形关系的影响。
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Tue / （ kN·m）
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Fra Baidu bibliotek165
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基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 51008122 ） ，国 家 973 计 划 前 期 研 究 专 项 （ 20122BAB206006 ） ，江 西 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 2011CB612210） 。
作者简介： 黄宏（ 1977— ） ，女，江西樟树人，工学博士，副教授。E-mail： hhong@ ecjtu． jx． cn 收稿日期： 2013 年 5 月
采用有限元对 文 献［8］中 的 圆 中 空 夹 层 钢 管 混 凝土构件进行模拟，并将计算结果与试验结果进行比
333
表 1 试件主要参数 Table 1 Parameters of specimens
试件编号
Do /
to /
Di /
ti /
L/
fyo /
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MPa MPa MPa
图 1 构件截面示意及网格划分 Fig． 1 Cross section and mesh generation
1. 1. 2 材料本构关系模型 钢管的本构关系模型采用 ABAQUS 中的塑性分
析模型，混凝 土 的 本 构 模 型 采 用 刘 威［9］ 中 改 进 后 的 塑性损伤模型，上下盖板模拟为刚体。 1. 1. 3 钢管与混凝土界面模型
建筑结构学报 Journal of Building Structures 文章编号： 1000-6869（ 2013） S1-0332-07
第 34 卷 增刊 1 2013 年 8 月 Vol. 34 Suppl. 1 Aug． 2013
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圆中空夹层钢管混凝土压扭构件有限元分析
黄 宏，郭晓宇，陈梦成 （ 华东交通大学 土木建筑学院，江西南昌 330013）
摘要： 利用软件 ABAQUS 对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件进行有限元分析，对构件的破坏形态、剪应力在横截面上的分 布、内外钢管与混凝土的相互作用、内外钢管与混凝土各自承担的荷载进行了分析，研究了先扭后压和先压后扭两种加载 工况对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响。并对先压后扭加载工况下空心率对钢管、夹层混凝土各自承担 荷载的影响规律进行分析。结果表明： 不同加载工况对圆中空夹层钢管混凝土压扭构件工作机理的影响不大； 加载方式不 同，钢管与混凝土相互作用的发展过程不同，极限荷载时先压后扭加载工况下的外钢管与混凝土相互作用力略大； 在压扭 复合作用下，构件破坏时，混凝土承担较大的轴力，钢管承担较大的扭矩； 空心率越大，构件中混凝土承担的扭矩越小。 关键词： 圆中空夹层钢管混凝土； 压扭； 有限元分析； 加载工况； 工作机理 中图分类号： TU398． 902 文献标志码： A
采用有限元软件 ABAQUS 建立圆中空夹层钢管 混凝土压扭 构 件 的 分 析 模 型 ，对 构 件 的 荷 载-变 形 关 系进行分析。 1. 1 模型建立 1. 1. 1 单元类型的选取与网格划分
本文中内外钢管和混凝土单元均采用 8 节点减 缩积分格式的三维实体单元（ C3D8R） 。网格划分采 用结构化网 格 划 分 技 术，用 网 格 试 验 的 方 法 来 确 定 合理的网格密度。构件中内外钢管和夹层混凝土截 面网格划分如图 1 所示。
钢管与混凝土之间的接触包括法向接触和切向 接触。选择“硬”接触作为内外钢管与夹层混凝土的 法向接触 行 为，并 且 允 许 接 触 后 分 离。 切 向 接 触 采 用库伦摩擦 模 型，摩 擦 系 数 μ 取 0. 6。在 接 触 分 析 时，选择弹性模量较大的钢管为主控面，混凝土为从 属面。为模 拟 实 际 工 程 中 的 焊 接 约 束，盖 板 与 内 外 钢管采用绑定约束。 1. 1. 4 边界条件及加载方式
Abstract： The behaviors of concrete filled double skin-steel tubular （ CFDST） members under axial compression and torsion were studied using the finite element software ABAQUS. The influence of two kinds of loading cases on the working mechanism of the CFDST members was discussed from four aspects，including failure modes，shear stress distributions on the cross section，interactions between steel tubes and concrete and loads undertaken respectively by steel tubes and concrete. And the influence of different hollow ratios on the loads resisted by steel tubes and concrete was analyzed under the first loading case that axial load was applied firstly and kept constant，then torque was applied on the component. The results indicate that different loading cases have little effect on the working mechanism of the CFDST members； the development process of the interactions between steel tubes and concrete is different under two kinds of loading cases； when the load reaches the ultimate load the confining stress between outer steel tube and concrete is larger under the first loading case； when the components are damaged，concrete resists a large portion of axial force while steel tubes resist most of torque； with the increase of hollow ratio，the torque resisted by concrete is reduced. Keywords： concrete filled double skin-steel tubular （ CFDST） ； compression and torsion； finite element analysis； loading cases； working mechanism
国内外一些学者对压扭构件的力学性能做了试 验和理论方面的 研 究。 张 誉 等［2］ 通 过 试 验 分 析 了 钢 筋混凝土压 扭 构 件 的 受 力 机 理，并 提 出 了 钢 筋 混 凝 土压扭构件承载 力 计 算 公 式 。 徐 玉 野 等［3］ 研 究 了 混 凝土异形柱在压力和扭矩共同作用下的抗扭性能， 主要考察了轴压比、截面形状、配筋情况对异形柱抗 扭性能的影响，试验结果表明，轴压比对钢筋混凝土 异形柱的抗 扭 性 能 影 响 较 大，异 形 柱 的 开 裂 扭 矩 和 极限扭矩随轴压比的增加而增大。彭淑华［4］对 H 型 型钢混凝土压扭构件极限扭矩的计算公式进行了推 导，并对不同 轴 压 比 范 围 内 构 件 的 受 力 性 能 进 行 了 分析，结果 表 明，在 一 定 的 配 筋 和 型 钢 情 况 下，公 式 计算值能够 较 好 地 反 应 构 件 的 实 际 抗 扭 极 限，在 一 定范围内，随 轴 压 比 的 增 大 构 件 的 极 限 扭 矩 增 大。 韩林海［5］利用有限元分析方法研究了实心钢管混凝 土压扭构件 在 不 同 加 载 路 径 下 的 工 作 机 理，结 果 表 明，实心钢管混凝 土 压 扭 构 件 T / Tu-N / Nu 相 关 曲 线 在不同加载路径 下 的 变 化 不 大 。 徐 积 善 等［6］ 通 过 试 验研究了钢管混凝土构件在压扭复合受力状态下的 反应及破坏机理，研究表明，钢管混凝土柱在压扭复 合受力时，具有较高的承载力和延性，能够充分发挥 两种材料的优点。 范 志 杰 等［7］ 采 用 有 限 元 分 析 方 法 对圆中空夹层钢管混凝土构件在先压后扭情况下的 荷载-变形全过程 进 行 了 分 析，并 研 究 了 在 整 个 受 力 阶段压扭构 件 的 剪 应 力 分 布、内 外 钢 管 相 互 作 用 和 轴压比的影 响，结 果 表 明，当 轴 压 比 较 小 时，随 着 轴 压比的增大，极限扭矩增加； 当轴压比较大时，随着 轴压比的 增 大，极 限 扭 矩 降 低。 但 其 并 未 讨 论 空 心 率、加载工况对构件受力性能的影响。