外包角钢混凝土柱轴压性能数值仿真.pdf

5 8 低温建筑技术 2 0 1 1年 7崩 ( 总第 1 5 7期 ) 外包角钢混凝土柱轴压性能数值仿真 宋常利 ， 姜良芹 ( 1 东北石油大学秦皇 岛分校 ， 河北秦皇岛0 6 6 0 0 4； 2 大庆规划建筑设计研究院 。 黑龙江大庆1 6 3 3 1 1 ) 【 摘要】 为探索角钢混凝土柱的轴压性能 ， 本文在已有试验的基础上 ， 应用 A N S Y S 软件建立了角钢混凝 土柱的有限元模型 ， 对角钢约束混凝土柱进行了数值仿真分析 ， 得到了荷载 一位移全过程曲线， 并与试验所得的 荷载 一 位移曲线进行了对比， 二者吻合良好。最后给出了试件在极限状态时混凝土和钢骨架的等效应力图， 为角 钢约束混凝土轴压短柱承载力公式的提出奠定了数据基础。 【 关键词】 角钢混凝土柱 ； A N S Y S 软件； 数值仿真 【 中图分类号】 T U 3 9 8 9 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 5 8 0 2 到目前为止 ， 国内外对内置角钢混凝土柱的研究 较多 ， 但对于新建的外包角钢混凝土柱的研究较 少， 都是针对外包钢加 固已有钢筋混凝土柱方面开展 了研究工作， 相应的成熟理论和大量的试验研究尚少 ， 更无正规出版的设计施工规范。众所周知， 试验会消 耗大量的资金和人力 ， 鉴于此， 本文利用有限元软件 A N S Y S对 角钢混凝土柱进行了数值模拟 ， 与已有 的试验荷载 一位移曲线进行了对比， 吻合良好， 验证了 有限元模型的合理性 ， 为进一步仿真探索该类柱的其 它力学性能奠定基础。 1 有 限元仿 真 本文采用先建立柱的几何实体模型， 再进行有限 元网格划分最终形成有限元模型。利用 A N S Y S中的 S O L I D 4 5和 S O L I D 6 5两种实体单元， 通过输入实体的 三维坐标来分别建立几何模型 ， 首先建立混凝土实体 ， 然后在混凝土实体的四角布置角钢 ， 角钢之间用钢板 箍相连， 模拟焊接好的角钢骨架。本文采用角钢和混 凝土之间完全粘结的假定， 将创建好的混凝土实体和 钢板采用 G L U E命令粘结起来 ； 利用 s w e e p法对角钢 约束混凝土短柱进行网格划分 ； 为了在模拟过程中保 证柱顶面各点位移保持一致 ， 将角钢约束混凝土短柱 顶面上所有的节点施加 ， z方向的位移约束， 即只能 产生 y方向的位移 ， 同时将 面上所有节 点 l ， 方 向的 自 由度耦合 ， 对角钢约束混凝土短柱的底面采用面上全 约束 ， 模拟固端。混凝土几何实体模型、 钢骨架模型和 整体有限元模型如图 1 图3所示。 2结果对 比与 分析 采用上述的有限元分析方法， 开展了文献 3 中 l O根外包角钢混凝土柱的仿真分析 ， A N S Y S数值仿真 分析结果与试验得到的曲线对 比情况如图3所示。 从图4中可以看出， 钢板缀板的间距对角钢混凝 土柱的延性有很大的影响。所有的构件在达到极限承 载力后， 承载力下降缓慢， 表现出很好的延性性能。对 图l混凝土实体模型 图2 角钢骨架模型 图3 整体模型 于缀板间距小于等于 5 0 m m的试件在达到极限荷载 后 ， 其荷载 一位移曲线基本保持水平， 下降段不明显； 而对于缀板间距大于 5 0 ra m的试件 ， 承载力下降较快， 延性较差。总体上来说， 随着缀板间距的增大， 构件的 极限承载力减小， 试件的延性系数越小， 这一点与试验 结果得出的结论是相吻合的， 可见缀板间距是控制外 包角钢混凝土试件的力学性能的主要参数之。 图 5和图6分别为试件 A S R C 2达到极限承载能 力时混凝土和钢骨架等效应力分布云图。从图上可看 出， 混凝土四角处应力最大， 说明角钢和缀板组成的钢 骨架对角部的混凝土约束最好 ， 在试件达到极限承载 力时 ， 角钢 已经完全达到屈服强度 。 宋常利等： 外包角钢混凝土柱轴压性能数值仿真 5 9 位f m m 位； m m ( c ) 位g ra m ( e ) 位 ( b ) 位移， m ( d ) 位移， m m ( 0 位移 m m 位移 m ( h ) 位移， n 1 m 位移， 蛐 ( i ) a ) 图4仿真得到的曲线与试验曲线的对比 3结语 利用 A N S Y S有限元软件， 对 1 O根外包角钢混凝 土短柱进行了仿真分析 ， 得到了角钢混凝土短柱的荷 载 一位移曲线， 与已有的试验曲线进行了对比， 吻合情 况较好 ， 可见本文的有限元模型、 材料参数的选择和加 图5混凝士单元的应力分布 图6 钢骨架应力分布 载耦合方法是合理的， 为进一步开展其它力学性能的 研究打下基础。 参考文献 张国军， 吕西林 高轴压比高强混凝土短柱力学性能的试验 研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 3 ) ： 2 O一 2 3 计静 。 张文福 ， 李科 ， 郑文忠 角钢混凝土柱延性 与抗震措 施 J 科学技术与工程。 2 0 0 9 ， 9 ( 2 0 ) ： 6 2 4 7- 6 2 4 9 计静， 郑文忠 角钢混凝土柱正截面受力性能试验研究 J 工业建筑， 2 0 0 8 ， ( 3 ) 刘涛， 杨凤鹏 精通 A N S Y S M 北京： 清华大学出版社， 2 0 o 2 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例 M 北京： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 8 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 s 收稿 日 期】 2 0 1 1 一 o 4一 O 1 作者简介】 宋常利( 1 9 7 7一) ， 男， 河北省秦皇岛市人， 讲师， 硕 士， 主要从事土木工程教学与设计工作。 暴挺 z ， 2 瓣梅 】 I ， 鳎挺 1 j 1 j 二J