形钢管混凝土长柱单向偏心受压性能有限元分析

形钢管混凝土长柱单向偏心受压性能有限元分析

0高层钢结构住宅中钢管混凝土柱受力性能的应用研究管道混凝土结构具有承载性高、弹性好、施工方便等特点。YangYuan-long等对T形钢管混凝土短柱进行了轴压和偏压试验，并与数值模拟结果进行对比为了充分利用建筑空间，高层钢结构住宅中采用的异形钢管混凝土构件通常是由多个内灌混凝土的矩形钢管组成的多腔结构，每个钢管的窄边（对应墙厚）较窄（通常不超过160mm），同时为了节省用钢量，钢管的宽厚比较大（通常50～60），钢板壁较薄（通常不超过6mm）。目前对于这类异形多腔钢管混凝土柱的受力性能的研究还较少。文中在前期试验研究的基础上，基于ABAQUS6.14有限元软件，对T形多腔钢管混凝土长柱单向偏压构件进行有限元建模分析，同时考察了长细比、高宽比、偏心距等因素对构件偏压性能的影响1qus有限元模型建立参照图1所示的T形截面，分别选择不同的翼缘、腹板尺寸进行建模，S为截面形心。为提高试件的整体性，将腹板伸入翼缘20mm。对于材料本构模型的定义，钢材采用等向强化模型；混凝土受压状态采用韩林海提出的适用于ABAQUS有限元分析的核心混凝土本构模型，受拉状态则采用GB50010-2010《混凝土结构设计规范》钢管采用壳单元（S4）模拟，混凝土和端板采用三维实体单元（C3D8R），端板在加载过程中应保证足够的刚度，避免端板弯曲影响试件加载。定义混凝土单元网格尺寸为25mmm，钢管单元网格尺寸为30mm，采用sweep网格划分技术，advancingfront算法，试件网格划分效果如图4所示。加载方式采用位移加载，将端板面耦合于参考点，固定两参考点x、y轴平动自由度，释放三轴转动自由度，固定端RP1约束z轴平动自由度、加载端RP2则释放，位移荷载施加于RP2上，使得端板能随构件变形发生旋转、但不会弯曲，以模拟试件的偏心受压过程。2荷载-轴向位移关系为验证ABAQUS有限元模型的合理性，采用上述方法建模，与文献选取T-CFT1试件的荷载-轴向位移关系曲线，和试验结果进行对比，结果如图5所示，可见试件的有限元曲线和试验曲线较为接近；将该试件的有限元变形云图和试验变形图进行对比，如图6所示，可见有限元模型的变形特征和试验的变形形态一致，ABAQUS能较好地模拟T形试件单向偏压的工况。3参数分析3.1试验件细比的影响取H由表2可知，在其他因素相同的情况下，随着长细比的增大，偏压极限承载力N由图9可知，随着长细比的增大，试件初期刚度逐渐降低，极限荷载下降，达到极限荷载时的位移越大；在达到极限荷载之后，长细比较大的试件轴向位移迅速增大，后期承载性能较差，这是由于试件在后期挠度较大，无法具备有效的刚度以继续承载，而长细比较小的试件整体弯曲较小，刚度相对较大，因而后期能继续保持承载能力。3.2腹板高宽比的变化保持偏心距e=100mm、柱长L=3m和其他尺寸不变，分别取不同的腹板、翼缘高宽比进行建模。由于各组试件的截面面积不同，将荷载基于A由图10可见，试件等效极限承载力系数和腹板高宽比近似线性相关，和翼缘高宽比没有明显的关系。比较各试件的破坏模式，发现高宽比的变化对各试件整体变形形态没有较大影响，试件均呈现弯曲破坏，并在跨中受压腹板处发生局部屈曲。比较不同高宽比下各试件等效荷载系数-轴向位移关系曲线，由图11(a）可见，随着受压区腹板高宽比的增大，试件初期刚度有所提高，极限承载力增大，到达极限荷载时的轴向位移几乎相同，后期荷载下降速率基本一致，对后期受力性能没有较大影响。由图11b可见，翼缘高宽比对试件受力阶段没有较大影响，各个试件的初期刚度、后期荷载变化情况几乎相同。3.3极限荷载比负偏大时，偏心距也增大，极限承载力比大采用3.1的截面尺寸，保持柱长L=3m和其他尺寸不变，按双轴坐标系，分别取正负方向的偏心距进行有限元建模分析（定义加载点在y轴正向为正向偏心，在y轴负向为负向偏心），各试件参数和极限荷载见表4，可见随着偏心距的增大，试件极限荷载逐渐降低。由图12可见，极限承载力对偏心距变化的敏感度，随偏心距的增大而减小。在偏心距相同时，由于受压腹板高度较大，正向偏心的极限荷载比负向偏心时大，极限承载力变化和截面形式密切相关。由图13可见，不同偏心距下试件的变形形态存在差异。轴压试件发生失稳破坏，整体向翼缘侧弯曲，跨中截面翼缘处应力较大。负向偏心时，腹板受拉，大部分腹板都能发挥抗拉作用，沿高度方向应力分布较为均匀。正向偏心时，腹板受压，试件由于跨中截面腹板处局部屈曲而破坏，其余高度处腹板受压易形成屈曲半波；随着偏心距的增大，跨中发生屈曲的区域缩小，试件的大部分材料未充分发挥作用即发生破坏。比较各试件的荷载-轴向位移关系曲线，由图14可见，随着偏心距的增大，试件初期刚度和极限承载力迅速降低，线弹性区段缩短，到达极限荷载时的位移增大；达到极限荷载之后，偏心距较小的试件荷载迅速下降，偏心距较大的试件则能保持一定的荷载，体现出较好的延性；对比正负向偏心的曲线，由于正向偏心时的受压腹板发生局部屈曲破坏，致使荷载陡降，负向偏心则不会发生这种情况，曲线较为平滑。4偏压极限承载力试验结果分析文中采用ABAQUS软件对T形多腔钢管混凝土长柱沿y轴单向偏心受压的试件进行有限元建模分析，考察了长细比、高宽比和偏心距等参数对偏压性能的影响，得出以下结论：(1）随着长细比的增大，试件初期刚度降低，偏压极限承载力逐渐减小，极限承载力和长细比近似线性相关。长细比越大，试件后期承载能力越差，轴向位移、跨中挠度增长越快。(2）增大腹板高宽比能提高试件初期刚度和极限承载力，对后期受力性能没有较大影响，极限承载力和腹板高宽比近似线性相关。翼缘高宽比对试件受力性能和极限承载力没有较大影响。(3）随着偏心距的增大，试件极限荷