基于有限元法的钢管混凝土柱影响因素分析.pdfVIP

钢结构工程研究⑨ 《钢结构》2010增刊 基于有限元法的钢管混凝土柱影响因素 分析 闻洋李春光 (内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古014010) 提要：利用有限元程序(ANSYS)和正交设计法对钢管混凝土轴压短柱承载力的敏感性因素进行了分析， 分析结果表明影响钢管混凝土轴压柱承载力的最主要冈素是核心混凝土的强度，其次是约束效应系数，影 响最小的是钢管的屈服强度。重点分析了钢管的屈服强度对钢管混凝土轴压承载力的影响，得出要使钢管 混凝土中钢管的屈服强度能得到充分的利用必须保证一定的含钢率。 关键词：有限元分析；正交设计法；敏感因素 1．引言 在钢管混凝土结构中承载力是很重要的性质。国内外学者对其进行了广泛的研究，出现 了一大批理论和力学模型…埋1以及参数分析结论。钢管混凝土作为一种组合结构，其机理是 外包钢管对核心混凝土提供约束力，阻止核心混凝土的横向变形而提高核心混凝土的抗压 强度，从而提高整个构件的极限承载力。众所周知，核心混凝土抗压强度、钢材屈服强度、 约束效应系数是影响钢管混凝土轴压短柱承载力的主要因素，三因素对承载力的影响结果 已经有了比较多的研究，但是有关三因素对承载能力敏感性的研究却很少。本文将利用正 交试验法婚。，在其他学者研究成果M儿副的基础上应用ANSYS软件对钢管混凝土承载力的敏 感性因素作进一步的分析。 2．ANSYS模拟分析 1)定义单元类型 核心混凝土采用八节点六面体单元(3DSOLID65)模拟，该单元也包含8个节点，每 个节点有三个平动自由度，该单元的几何形状与(3DSOLID45)单元相同。该单元是专门 用来分析各种混凝土结构的，可以用来考虑混凝士的压碎和拉裂，还可以考虑收缩和徐变 等。 SOLID65单元的破坏面为改进的William Warnke五参数破坏曲面，需要以下几个参数 来加以定义：单轴受拉强度Z，单轴受压强度工，双向受压强度fcb，以及在某一围压群 下的单向受压强度．疋和双向受压强度Z。需要说明的是，ANSYS要求输入的是这些参数的 294 钢结构工程研究⑧ 《钢结构》2010增刊 厶=1．2正：I群l=43L；Z=1．45丘；^=1．725fc 如果在ANSYS中给．疋赋一个负值，则相当于受压破坏面不起作用，只考虑受拉软化效 应。 2)定义材料特性 绝大多数单元类型需要定义材料特性。根据应用的不同，材料特性可以是线性或者非 线性。在实际模拟中，可用多线性的材料模型，尽量精确地模拟材料的力与变形之间的关 系。材性参数取自单向拉伸数值，主要有：弹性模量、泊松比、屈服强度、强化模量等。 强化模型可以是各向同性强化(或称等向强化)、随动强化(或称运动强化)或混合强化。 本文中钢材和混凝土均选用多线性等向强化模型。 3)模拟结果分析 为了深入掌握钢管混凝土轴心受压柱的承载力影响因素，本文进行了九个钢管混凝土 轴心受压模拟研究，试验为四因素三水平试验，采用L9(34)正交表表头设计，试件中每个试 件与其它试件对比只有一个影响因素相同，其它三个均不相同。三因素分别为钢管的屈服 强度、核心混凝土的抗压强度以及约束效应系数，每个因素取三个水平。各因素及水平取 值见表1，试件的设计及模拟结果如表2所示。 表1钢筋混凝土试件一览表 295 钢结构工程研究⑧ 《钢结构》2010增刊 从表2中极差R可以看出，核心混凝土强度对钢管混凝土构件的承载力影响是最大的， 其次为构件的约束效应系数，影响最小的是钢管的强度。从空列极差可以看出钢管屈服强 度、核心混凝土强度及约束效应系数之间的相互作用对钢管混凝土轴压短柱的承载力也有 一定的影响，但是相对于核心混凝土的强度以及约束效应系数单独对承载力的影响要小得 多。 4)各因素与承