对钢管混凝土抗剪试验ABAQUS建模

1、兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 组会报告导师：王文达 史艳莉学生：何佳星2016年3月23日兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 主要内容主要内容v 文献综述文献综述v 数值模拟数值模拟v 遇到问题遇到问题v 近期计划近期计划兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 一一、文献综述文献综述兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

2、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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

3、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、约束类型的变化数据，并采用 ANSYS/LS-DYNA 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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 李珠等(2009)5 利用落锤式冲击

4、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。 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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

5、，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。兰州理工大学土木工程学院

6、王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

7、管混凝土芯柱构件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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

8、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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 小结小结 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

9、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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 二二、数值模拟数值模拟兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.1 试验工况试验工况 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加载试验。 方钢管短柱截面边长为150mm

10、，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。 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.兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 实验装置图兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组

11、 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.1.1 建模要点建模要点 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：l 钢管与混凝土 面面接触l 钢管与盖板 tie绑定l 混凝土和盖板 面面接触实体建模壳体建模u 钢管与混凝土 面面接触u 钢管与盖板 壳实耦合u 混凝土和盖板 面面接触兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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

12、加载量兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 Visualization： 混凝土应力云图钢管应力云图 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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.1.2 模型验证模型验证 0501001502002500510152025F/kN/mmA2试件荷载-位移曲线试验值模拟值（实体）模拟值（壳体） 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。兰州理工大学土木工程学

13、院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 分析原因分析原因在荷载-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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 对对圆钢圆钢管用同样的建模方式建模得出荷载管用同样的建模方式建模得出荷载- -位移曲线位移曲线 020406080100120140160051015202530F/kN/mmB3试件荷载-位移曲线试验值模拟值（壳体）模拟值（

14、实体）兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 改变建模方式，从悬臂式换成简支式改变建模方式，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兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 020406080100120051015202530F/kN/mm试件B3荷载-位移曲线试验值模拟值0501001502002500510152025F/kN/mm试件A2荷载-位移曲线试验值模拟值（实体建模）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

15、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？兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.2 试验工况试验工况 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.兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 试件上的轴力荷

16、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。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 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2.2.1 简支式简支式 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 Visualization：钢管应力云图混凝土应力云图 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

17、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。钢管混凝土应力云图兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.2.2 悬臂式悬臂式 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兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.2.3 模型验证模型验证

18、030060090012001500180021000123456P/kNf/cms11-c1-1荷载-位移曲线试验值模拟值(悬臂)模拟值(简支) 由图可以看出，悬臂式和简支式的模拟曲线差不多 ，模拟所得的弹性阶段的剪切刚度比试验值大。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.3 试验工况试验工况 圆钢管短柱截面钢管外径为D = 194mm，厚5.5mm，剪跨比为0.1。试件长度为232mm。钢材屈服强度fy=330MPa,混凝土立方体抗压强度fcu=54MPa。 本算例选自文献：钱稼茹，崔瑶，方小丹钢管混凝土柱受剪承载力试验J. 土木工程学报

19、，2007，40(5)：1-9兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 试件水平放置, 两端支承在支座上, 支座宽 50 mm; 横向力通过加载板施加在试件跨中顶部, 加载板宽 100 mm。支座与钢管接触面、加载板与钢管接触面加工成圆弧形。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.3.1 模型验证模型验证 02004006008001000120014001600051015F/kN/mm试验值模拟值(悬臂)模拟值(j简支) 用相同的建模方法模拟钱稼茹的试验，发现不管采用简支还是悬臂式，P-关系计

20、算结果和实测结果基本吻合，特别是弹性阶段也没有出现像徐春丽试验中那么大的偏差。A1-11试件荷载-位移曲线兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 2.3.1 对比分析对比分析 通过对徐春丽和钱稼茹的不施加轴力状态下的剪切试验的模拟，发现模拟钱稼茹试验所得到的荷载-位移曲线与试验所得基本吻合，说明所采用的建模方法和选用的本构关系是正确的，而徐春丽试验所得到的荷载-位移初始阶段的偏差可能是试验精度的问题导致的。兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 三、三、遇到问题遇到问题兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 兰州理工大学土木工程学院王文达博士研究小组 3.1 粘性系数粘性系数 030060090012001500180021000246P/kNf/cms11-c1-1荷载-位移曲线02040608010012014016005101520F/KN/mmB3