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考虑初始缺陷的钢管混凝土柱轴压数值模拟

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：胡向阳

[导读] 摘要：在对钢管混凝土柱（CFST）或其他组合柱进行轴压数值模拟时，会发现无初始缺陷的CFST柱与试验结果有诸多不符，这主要是由于理想模型没有考虑初始缺陷造成的。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：在对钢管混凝土柱（CFST）或其他组合柱进行轴压数值模拟时，会发现无初始缺陷的CFST柱与试验结果有诸多不符，这主要是由于理想模型没有考虑初始缺陷造成的。从试验结果来看，许多组合柱的破坏现象都与考虑初始缺陷的数值模型相符，而另一些组合柱则需要用初始缺陷的多阶模态叠加方法进行模拟才能与试验结果较为接近。本文使用ABAQUS有限元软件对理想的无缺陷模型，考虑一阶失稳模态以及多阶失稳模态叠加的模型进行了数值模拟，并分析比较了上述模型的荷载-位移曲线和变形、受力情况。
        关键词：钢管混凝土柱；初始缺陷；多阶模态叠加
        引言
        钢管混凝土柱是组合柱中一种较为常见、典型的结构构件，在对其进行轴压试验的过程中，由于混凝土在轴向荷载作用下会侧向膨胀，此时钢管会对内部的混凝土提供一个径向约束力，使其承载能力和变形能力都大幅提高[1，2]。在以往对钢管混凝土柱进行轴压数值模拟的时候，大多都采用了理想的轴压柱模型，但钢管混凝土柱的加工、运输以及安装精度都会导致构件存在一定的初始几何缺陷，如：初弯曲，这就造成数值计算结果与试验结果有较大的差异，为了使数值模拟的计算结果能更加符合实际情况，本文对理想的钢管混凝土轴压柱模型添加了1/1000柱高的几何初始缺陷，相当于对弯曲柱进行加载，除此之外，初始缺陷还可通过多阶模态叠加的方式来实现。因此这对数值计算结果与试验结果的差异提供了一种较为合理的解释，而不是将其简单地归结为计算误差。
        1 无缺陷模型的建立
        1.1 材料参数设置
        （1）混凝土
        模型中混凝土柱使用混凝土塑性损伤模型来进行材性设置，弹性模量取24871MPa；泊松比取0.2；
        ①塑性参数：膨胀角为30°，偏心率0.1，

为1.16，K取0.667，粘性参数0.0005。
②受压行为中，混凝土单轴受压应力-应变关系与损伤因子参考《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）中给出的方法确定。
③拉伸行为中，对混凝土抗拉本构进行简化设置，线性地取混凝土的抗拉强度为0.1

，且不考虑混凝土的拉伸损伤。
        （2）钢管
        钢管使用常规的弹塑性模型，弹性模量206GPa，泊松比0.3，屈服强度235MPa。
        （3）承载板
        由于上下两端的承载板为刚性，所以将其弹性模量设的足够大，如：206000GPa，泊松比为0.1。
        1.2 界面处理
        考虑到混凝土柱的外表面与钢管内表面的粘结并不牢固，因此在接触属性中，法向定义了“硬接触”，而切向定义了0.25的摩擦系数；混凝土柱和钢管的上下表面与承载板通过“Tie”命令进行绑定。
        1.3 边界条件与加载方式
        上下两端板的耦合点分别为rp1与rp2，钢管混凝土柱上下两端铰接，因此初始边界条件应约束rp1的U1，U2，UR2，UR3四个方向的自由度，约束rp2的U1，U2，U3，UR2，UR3五个方向的自由度。
        加载方式采用位移加载，在rp1的U3方向设置一定量的位移。
        1.4 模型尺寸与单元
        混凝土柱的半径为98mm，柱高3m，使用C3D8R单元；钢管内径98mm，壁厚2mm，钢管高度与混凝土柱高度一致，使用S4R单元；刚性承载板为正方形，边长300mm，厚度20mm，使用S4R单元。
        2 初始缺陷的施加方法
        （1）建立无缺陷模型，进行模态分析（Buckle），运行后改写inp文件在输入的荷载后面添加：
        *nodefileu
        （2）回到ABAQUS，再创建一个以inp文件的job2，运行后，可得到.fil文件。
        （3）直接复制model，重新打开，改写keywords，在分析步前面添加：
        *imperfection，file=Li-buckle，step=11，3
        3 计算结果分析
        3.1 有无初始缺陷的CFST轴压柱荷载-位移曲线分析
        从无初始缺陷的CFST柱的荷载-位移曲线可以看出，在钢管混凝土柱轴压较小时，荷载-位移曲线成线性上升趋势，由于混凝土的泊松比小于钢管的泊松比，所以两者独立工作。随着轴向压力的增大，钢管混凝土开始进入弹塑性阶段，此时的混凝土受压侧向膨胀，钢管给混凝土提供了一个径向约束力，使混凝土处于三向受力状态，提高了混凝土的承载和变形能力。在钢管混凝土达到最大承载力后，其承载性能并没有迅速丧失，而是随着变形的增加，荷载-位移曲线逐渐下降，直至钢管鼓胀屈服，构件完全破坏。
        考虑初始缺陷的CFST柱（只考虑一阶失稳模态）与无初始缺陷的CFST柱相比，其极限承载力大幅下降，无缺陷的CFST柱的极限承载力为1189.8KN，而考虑初始缺陷的CFST柱的极限承载力只有929.6KN，极限承载力下降了22%。两条荷载-位移曲线在弹性阶段和弹塑性阶段基本重合，但下降段的差异非常明显，考虑初始缺陷的CFST柱下降段比较陡峭，说明其抵抗变形的能力也有大幅的下降，这主要是因为在加载后期考虑初始缺陷的CFST柱局部弯曲以及二次弯矩的影响造成的。
        3.2 有无初始缺陷的CFST轴压柱应力及变形云图分析
        提取无初始缺陷的CFST柱和有初始缺陷的CFST柱最大荷载下降85%时混凝土塑性应变和钢管的Mises应力云图进行分析。从混凝土受压塑性应变云图中可以看出，此时混凝土柱在中部和上下部对称位置已经产生了0.01052的受压塑性应变，而受拉塑性应变基本为0，表明混凝土柱全截面受压，拉力的影响很小，可以忽略不计，此时钢管的应力为248.3MPa，钢管已经受拉屈服。在模型添加初始缺陷后，混凝土柱有局部弯曲的的现象发生，在混凝土柱中部偏下的位置产生了0.02164的受压塑性应变，为无缺陷模型的2.1倍。同时，在受压区另一侧混凝土柱也受到了拉伸的影响，其受拉侧的拉伸塑性应变（PEEQT）为0.003676，对于混凝土受拉来说已经足以导致混凝土的受拉破坏，此时钢管无论受压还是受拉侧均已屈服。
        3.3 初始缺陷多阶模态叠加
        从一阶与多阶模态叠加的CFST柱的荷载-位移曲线中可以看出，考虑多阶模态叠加的模型相较于一阶模态的模型，极限承载力有一定的下降，一阶失稳模态的极限承载力为929.6KN，而多阶模态叠加的极限承载力为850KN，下降了8.5%。从荷载-位移曲线的下降段来看，多阶模态叠加模型的下降段也更陡峭一些，说明其承载能力和变形能力都有小幅地下降。
        从多阶模态叠加的CFST柱的变形及应力云图中可以看出，考虑多阶模态叠加的模型，其核心混凝土在中下部出现了受压塑性应变且沿柱高向上发展，塑性应变值为0.024，与一阶失稳模态相比，出现受压塑性应变的位置有所改变，应变值也有一定程度的增加。对于混凝土的受拉塑性应变来说，出现的位置基本没有变化，但应变值有大幅增加，约为一阶失稳模态的3.1倍。此时钢管的应力已达265MPa，而且出现比较明显的局部膨胀。
        4 结论
        ①考虑一阶失稳模态的轴压柱模型与无初始缺陷的模型相比，极限承载力下降了22%，荷载-位移曲线的下降段更为陡峭，混凝土柱出现了局部的弯曲，这与部分实验现象较为吻合。
        ②考虑多阶模态叠加的轴压柱模型与一阶失稳模态相比，其极限承载力下降了8.5%，混凝土的塑性应变都有一定程度的增加，钢管出现较为明显的局部膨胀现象。
        参考文献：
        [1]吕西林，陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报，2000（2）.
        [2]蔡绍怀，焦占拴.钢管混凝土短柱的基本性能和强度计算[J]. 建筑结构学报，1984，5（06）：13-29.