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方鋼管混凝土柱的有限元模擬

所屬欄目:冶金論文 發(fā)布日期:2011-07-10 17:11 熱度:

  摘要:隨著計算機科學的發(fā)展,有限元數(shù)值模擬方法應用越來越廣泛。在此基礎上,利用ANSYS程序?qū)Ψ戒摴?a href='http://www.56st48f.cn/hltf/' target='_blank' class=infotextkey>混凝土柱的受力性能進行非線性有限元數(shù)值分析,得出混凝土在軸向力作用下的等效應力應變曲線。
  關(guān)鍵詞:方鋼管混凝土柱;有限元模型;ANSYS程序
  1引言
  方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其良好的結(jié)構(gòu)性能已在世界各地愈來愈廣泛地應用,同時也引起眾多的研究者對其進行理論或試驗研究。然而在承載力和變形性能的研究方面,絕大多數(shù)研究成果是一些根據(jù)試驗結(jié)果歸納的經(jīng)驗公式或者利用一維、二維有限元模型進行的簡化分析。由于問題的復雜程度高,有關(guān)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力機制和破壞機理,至今還未見有人對其進行深人研究的報道,而這些問題的解決恰好是我們充分了解方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。為了能更好的地了解鋼管混凝土的力學性能,就需要建立一個合理的有限元模型,對鋼管混凝土進行非線性分析。本文利用ANSYS建立有限元模型,對鋼管混凝土進行數(shù)值模擬。
  2有限元模型建立
  2.1材料模型
  鋼管混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中鋼管采用多折線性隨動強化模型(MKIN),單軸應力應變關(guān)系采用多折線型(圖1),屈服準則為Mises準則。混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50010-2002》(附錄c)規(guī)定的單軸應力-應變關(guān)系(圖2),強化模型采用多線性等向強化模型(MISO),屈服準則為Mises準則,破壞準則采用ANSYS程序中混凝土材料默認的William-Warnke五參數(shù)破壞準則。
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  圖1鋼材本構(gòu)關(guān)系                                        圖2混凝土本構(gòu)關(guān)系
  2.2單元類型
  鋼管單元采用shell181單元,它是一個4結(jié)點單元,每個結(jié)點具有6個自由度:可以用實常數(shù)或者橫截面定義來定義該單元的厚度或者其他的一些參數(shù)。混凝土采用solid65單元,單元具有八個節(jié)點,每個節(jié)點有三個自由度,即x,y,z三個方向的線位移。Solid單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理,其可模擬混凝土的開裂(三個正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變,因此可以很好的反映混凝土的材料性能。由于shell181是四節(jié)點六自由度單元,而solid65是八節(jié)點三自由度單元,前者比后者多了繞X,Y,Z軸的三個轉(zhuǎn)動自由度,因此需要將鋼管單元繞X,Y,Z軸的轉(zhuǎn)動自由度全部固定起來。
  
  2.3接觸面模擬
  在ANSYS有限元分析中,可以在鋼管和混凝土連接面上的相對應結(jié)點之間采用三個非線性彈簧單元Combin39(圖3)來模擬鋼管與混凝土之間的粘結(jié)一滑移現(xiàn)象,分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用。每一個彈簧的長度為零。每一個彈簧的性能由彈簧的力一變形曲線(F-D曲線)確定,其F-D曲線則又主要由各個方向的相互作用性能所確定。
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  圖3非線性彈簧單元combin39                                                                              圖4法向F-D曲線
  法向彈簧系數(shù)可取一大值(近似取混凝土的彈性模量),F(xiàn)-D曲線為經(jīng)過原點的折線(圖4):在第三象限內(nèi)取斜率很大的斜直線,在第一象限內(nèi)近似為D軸,以模擬法向不抗拉的特點。
  對于鋼管混凝土結(jié)構(gòu),橫向切向的勁度系數(shù)的試驗資料目前未曾見到,而且相關(guān)的試驗研究也很難實現(xiàn),因此往往通過與縱向切向的比較,進行近似的確定。橫向切向和縱向切向受力性能基本類似,因此,在沒有試驗資料的前提下,可以假定橫向切向和縱向切向勁度系數(shù)相同,或采用與縱向切向勁度系數(shù)成一定比例的某一定值。在這里我們假定橫向切向和縱向切向的相互作用一致,因此橫向切向采用與縱向切向相同的F-D曲線。
  2.4模型尺寸F-D
  為了合理和準確的研究方鋼管混凝土的軸壓性能,所選構(gòu)件的長度必須恰當,如果試件過長將出現(xiàn)彎曲變形,構(gòu)件如果過短,則端部效應的影響不能忽略。因此,按照鐘善桐教授的建議,取試件長寬比等于3來進行研究。模型如圖5所示。
  3計算結(jié)果分析
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  圖5方鋼管混凝土柱有限元模型           圖6混凝土等效應力應變
  (1)本文用ANSYS計算的方鋼管混凝土柱的極限承載力和試驗值吻合較好,這也證明了本模型的正確性。
  (2)文獻2指出:方鋼管混凝土柱內(nèi)核心混凝土的承載能力主要依賴于兩個斜對角區(qū)域,在極限狀態(tài)時,邊部的混凝上嚴重開裂、角部混凝土也因受壓而軟化。橫向應力的分布也表明,方鋼管對核心混凝土的約束作用主要集中在角部區(qū)域,這種約束應力集中的現(xiàn)象既不同于圓鋼管混凝土截面,也不同于配方箍的約束混凝土截面。

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文章標題:方鋼管混凝土柱的有限元模擬

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