基于ANSYS的圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力分析
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广东建材 ２１ 年第 ４ ００ 期
研究与探讨
￡
ｆ
基 于 Ａ Ｓ Ｓ的 圆钢管混 凝 土 ＮＹ 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
￡
。
＝ ３ ０ １． ３ （ ￡） １０ ＋ ４ ９ ｆｋ ｕ wk.baidu.com
Ａ ２． 一 Ｂ＝１ ０ ： ０ Ｋ： ． 一Ｋ
０ ７ ５ ． ４
ｋ ３ 。钢管采 用 Ｓ ｌ ｄ ５单元 ， 构关 系采 用 由四段 曲 ＝） ｏ ｉ４ 本 线构 成 的钢材 一维 应 力 一应变 关 系 曲线模 型 （ ２ ， 图 ） 屈
了轴 压钢 管 混凝 土 的极 限承 载 能 力及 破 坏 过程 中各 内 是 目前较 为理 想 的一种 模 型， 应力 应变 关系模 型 为 ： 其 力和纵 向应变 的变 化情 况 ， 示 了钢 管对 核 心混 凝土 的 揭 套 箍约 束作用 的本 质 。
２ 材料本构关系
２１ 材 ．钢
ｆ（Ｐ ） Ｍ ａ
４ ２ ６．
Ｅ （Ｐ ） Ｍ ａ
３７ ０ ００
图 ３ 杆 件 结 构 图
ｆ
图 ４ 约束及 加载 图
ｃ．＋ ）（０５＋７ ｊ ｋ （ －７ 毛 ． 【 ０４ ２５ １ ．８ ０ ）
＋
（Ｉ Ｏ 。考虑 混凝土 的特 点提 出相 应 的破坏 准则 ， Ｍ Ｓ） 国内 外 大 量研 究 表 明， 性 莫 尔准 则 ｆ（ｏ ｒ Ｃ ｕ ｏ ｂ屈服 线 ５ Ｍ ｈ — ｏ ｌｍ ］
ｅ 。一
［ ０ｏ １ ＋０ ４ ｓ（ ０
）
准 则） 三 向受 压混 凝 土有 很 好 的适 用 性， 对 与试 验 结 果 吻合较 好 ， 因此在 本文 中采 用 Ｍ ｈ — ｏ ｌｍ ｏ ｒ Ｃ ｕ ｏ ｂ准则 ， 核 对
心 受 压混 凝土 其 强度 条件 可 以表 述 为 ： 。ｋ （ Ｏ ≤ｆ＋ 取 Ｏ
服准 贝 为 Ｍ ｓ ｓ 贝 ＿。 ０ ｉｅ 准 ０ ］ ４ 为 避免 端 部约 束 或加 载 等 局部 效 应 的影 响 ，杆 件
．
Ｋ ０ １毛 ＝．
ｑ
Ｂ＝ ２ ３ ￣１ ） 。 ㈨ ’ ０ （。） １ ０× （． ６ ０ 。 ５ × ｆｋ 。
．
１ ０
上 、 端设 置 １ ｍ Ｉ厚 钢垫板 ， 下 ５ ｌ ｌ 杆件 结构 图如 图 ３ 。约束
相 吻合 。
关 键词 ：钢管混凝土： 轴压； 非线性有限元； 套箍约束
１ 述 概
式 中： 为钢 材 应 力 ， ｏ ｆ 为钢 材 屈 服 强 度 ， ． ｆ 为钢 ．
取 ． １５ Ｅ 为 ． 取 钢 管 混凝 土 以其 优 越 的 结构 性 能 受到 工 程 师 的青 材 的极 限强 度 ， ｆ ＝ ． ｆ ； 钢材 弹 性 模 量 ， Ｅ ＝ ． ×１ｓＥ 强化模 量 ， ＝ Ｅ ； 为钢材 的应 变 ， ２ １ ０， 为 Ｅ ￡ 睐， 工程应 用越 来越广 泛 。 由于钢 管对 核心 混凝 土 的约 ｅ 为钢材 屈服 时 的应变 ，ｅ 为钢 材 强化 时 的应变 ，ｅ 束套 箍 作 用使 核 心 混凝 土 处 于三 向受 压状 态 从 而使 核 为钢材达 到极限强度 时的应变，ｅ． 。 ０５ ｓ Ｅ） 本 ． ＋ ．ｆ／ 。 ＝ｅ ＋ （ 心混凝 土 具有更 高 的强度 和压 缩变 形 能力 。 同时 ， 由于 文 参照 文献 ， ￡ ＝ ２￡ ￡ １０￡ ， １ ２ ６ １ 取 １ ＝ ２ ｖ ‘： ／ １ 。 ］ 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 Ａ Ｓ Ｓ对 轴 压 钢 管 混凝 土 短 ＮＹ
端施 加 Ｘ Ｙ Ｚ 个方 向的约 束 ， 、、 三 加载 端施 Ｘ Ｙ方 向约束 、
并施 加 Ｚ 向位 移荷载 ， 载值取 ：５ ０ ｍ 约束及 荷载 方 荷 一．ｍ 。
了 广泛 的应 用 。本 文借 助 有 限元 分 析 软 件 Ａ Ｓ Ｓ 考 虑 两 种 材 料 本 构 关 系 的非 线 性 建 立 了组 合 截 面 短 ＮＹ ， 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 ， 到 了轴 压 作 用 下 处 于 得 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 ， 试 验 结 果 对 比 与
钢 管 厚
ｔｍ ） （ ｍ
３ ６２ ．
长 度
Ｌｍ） （ｍ
４ｌ ８
钢 管材 料 参 数
Ａ （ｍ） ｍ
１ ５２ ４ ５ ．
核 心混 凝 土 参 数
Ｅ （Ｐ ） 。 ａ Ｍ
２１ ０ ００ ０
ｆ （Ｐ ） Ｍ ａ
３ ２５． ３
Ａ （ｍ） ｍ ０
１ ９０ ４ ３ ５．
当
ｅ
￡
时
２２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
柱进行 了有 限元 分析 ， 考虑 两种 材料 本 构关 系 的非线 性 关 系 模 型 ［， 模 型 充 分 考 虑 了约 束 效 应 系 数 的 影 响 ， １该 ］ 建立有 限元模 型并 与参 照 文献 的试验 结 果对 比 ， 析 参数 设 置较 为合 理 ，系数 回归 时取 得 了很 多试验 数 据 ， 分
钢材 的应 力一 应 变 关系 曲线按 下式 确定 （ １： 图 ）
Ｏ
０ｖ
ｃ 对
ｃ ｅ － ｊ
图 １ 钢材 的应 力 一应 变曲线
一
７
研究与探讨
表 １材料参数
试 件编 号
Ｍ— Ｃ—ｌ ２０ —ｌ ｈ
广东建材 ２１ 年第 ４ ００ 期
外 径
Ｄ咖 ） （
１ ．３ ４０
研究与探讨
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基 于 Ａ Ｓ Ｓ的 圆钢管混 凝 土 ＮＹ 轴 压短 柱极 限承载力分 析
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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
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。
＝ ３ ０ １． ３ （ ￡） １０ ＋ ４ ９ ｆｋ ｕ wk.baidu.com
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ｋ ３ 。钢管采 用 Ｓ ｌ ｄ ５单元 ， 构关 系采 用 由四段 曲 ＝） ｏ ｉ４ 本 线构 成 的钢材 一维 应 力 一应变 关 系 曲线模 型 （ ２ ， 图 ） 屈
了轴 压钢 管 混凝 土 的极 限承 载 能 力及 破 坏 过程 中各 内 是 目前较 为理 想 的一种 模 型， 应力 应变 关系模 型 为 ： 其 力和纵 向应变 的变 化情 况 ， 示 了钢 管对 核 心混 凝土 的 揭 套 箍约 束作用 的本 质 。
２ 材料本构关系
２１ 材 ．钢
ｆ（Ｐ ） Ｍ ａ
４ ２ ６．
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３７ ０ ００
图 ３ 杆 件 结 构 图
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图 ４ 约束及 加载 图
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心 受 压混 凝土 其 强度 条件 可 以表 述 为 ： 。ｋ （ Ｏ ≤ｆ＋ 取 Ｏ
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上 、 端设 置 １ ｍ Ｉ厚 钢垫板 ， 下 ５ ｌ ｌ 杆件 结构 图如 图 ３ 。约束
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关 键词 ：钢管混凝土： 轴压； 非线性有限元； 套箍约束
１ 述 概
式 中： 为钢 材 应 力 ， ｏ ｆ 为钢 材 屈 服 强 度 ， ． ｆ 为钢 ．
取 ． １５ Ｅ 为 ． 取 钢 管 混凝 土 以其 优 越 的 结构 性 能 受到 工 程 师 的青 材 的极 限强 度 ， ｆ ＝ ． ｆ ； 钢材 弹 性 模 量 ， Ｅ ＝ ． ×１ｓＥ 强化模 量 ， ＝ Ｅ ； 为钢材 的应 变 ， ２ １ ０， 为 Ｅ ￡ 睐， 工程应 用越 来越广 泛 。 由于钢 管对 核心 混凝 土 的约 ｅ 为钢材 屈服 时 的应变 ，ｅ 为钢 材 强化 时 的应变 ，ｅ 束套 箍 作 用使 核 心 混凝 土 处 于三 向受 压状 态 从 而使 核 为钢材达 到极限强度 时的应变，ｅ． 。 ０５ ｓ Ｅ） 本 ． ＋ ．ｆ／ 。 ＝ｅ ＋ （ 心混凝 土 具有更 高 的强度 和压 缩变 形 能力 。 同时 ， 由于 文 参照 文献 ， ￡ ＝ ２￡ ￡ １０￡ ， １ ２ ６ １ 取 １ ＝ ２ ｖ ‘： ／ １ 。 ］ 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 Ａ Ｓ Ｓ对 轴 压 钢 管 混凝 土 短 ＮＹ
端施 加 Ｘ Ｙ Ｚ 个方 向的约 束 ， 、、 三 加载 端施 Ｘ Ｙ方 向约束 、
并施 加 Ｚ 向位 移荷载 ， 载值取 ：５ ０ ｍ 约束及 荷载 方 荷 一．ｍ 。
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钢 管 厚
ｔｍ ） （ ｍ
３ ６２ ．
长 度
Ｌｍ） （ｍ
４ｌ ８
钢 管材 料 参 数
Ａ （ｍ） ｍ
１ ５２ ４ ５ ．
核 心混 凝 土 参 数
Ｅ （Ｐ ） 。 ａ Ｍ
２１ ０ ００ ０
ｆ （Ｐ ） Ｍ ａ
３ ２５． ３
Ａ （ｍ） ｍ ０
１ ９０ ４ ３ ５．
当
ｅ
￡
时
２２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
柱进行 了有 限元 分析 ， 考虑 两种 材料 本 构关 系 的非线 性 关 系 模 型 ［， 模 型 充 分 考 虑 了约 束 效 应 系 数 的 影 响 ， １该 ］ 建立有 限元模 型并 与参 照 文献 的试验 结 果对 比 ， 析 参数 设 置较 为合 理 ，系数 回归 时取 得 了很 多试验 数 据 ， 分
钢材 的应 力一 应 变 关系 曲线按 下式 确定 （ １： 图 ）
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图 １ 钢材 的应 力 一应 变曲线
一
７
研究与探讨
表 １材料参数
试 件编 号
Ｍ— Ｃ—ｌ ２０ —ｌ ｈ
广东建材 ２１ 年第 ４ ００ 期
外 径
Ｄ咖 ） （
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