钢管混凝土柱子受压性能分析

　　随着钢管混凝土技术的发展和应用，研究钢管混凝土柱子的受压性能越来越重要，文章基于ANSYS有限元软件，模拟钢管混凝土柱子受压过程，实现了ANSYS模拟钢管混凝土柱子的受压分析，验证了钢管混凝土柱子受压性能优于钢筋混凝土的结论。

　　1、钢管混凝土概述

　　钢管混凝土是钢管内填入混凝土的一种新型构件，具有承载力高，施工简便，塑性、韧性好，耐火、耐腐蚀等诸多优点，同时具有很好的经济效益，因此，在诸多工程中取得了良好的应用。近几年来，钢管混凝土构件在建筑，矿山，道路，桥梁，工业厂房，地铁车站方面都取得了良好的应用效果。钢管混凝土自身的优点吸引了大批学者从事钢管混凝土的研究，其工作原理是：钢管约束混凝土，提供模板和约束力的作用，混凝土提供抗压能力，防止钢管屈曲，两种材料共同合作，发挥了钢管的承载力高的优点并克服了混凝土抗拉能力低的缺点，相比钢筋混凝土和纯钢结构节约了大量的成本，研究钢管混凝土柱子的受压性能对钢管混凝土技术的发展具有重要意义。

　　2、ANSYS软件简介

　　ANSYS已经被广泛应用于航空，航天，土木，建筑，电磁等领域中，经过几十年的发展，已经与很多软件建立了对接关系，比如PROE，CAD，UG等大型建模软件。ANSYS软件在模拟钢管混凝土柱子中已经有了较多的应用，其中中国矿业大学，西安电子科技大学已经成功运用ANSYS模拟成功了钢管混凝土柱子的受力分析，在结构工程中取得了广泛的应用。利用ANSYS软件对钢管混凝土柱子受压性能进行分析，可以有效地降低成本，降低设计费用，尤其对钢管混凝土这种复合材料，运用ANSYS软件进行受力分析更是加快了其在工程领域的发展，有效解决了试验时模拟钢管混凝土柱子受力分析的一些不足，在试验室中，很容易发生受压轴偏移，混凝土凝固后不均匀，含有空隙等问题，但在ANSYS中却不存在这个问题。

　　3、ANSYS模拟钢管混凝土理论基础

　　3.1、钢管混凝土力学假设

　　钢管混凝土柱子的力学分析模型受到ANSYS软件的制约，需要运用弹性力学的方法对其力学分析模型进行假设，在ANSYS分析钢管混凝土力学模型条件下，钢管与混凝土受力分析模型假设如下：

（1）假设钢管和混凝土一样，都属于弹性材料；

（2）假设钢管与混凝土的接触属于均匀接触，没有滑移和空隙，在受力过程中始终保持弹性接触；

（3）钢管的强度符合莫尔库伦强度理论；

（4）钢管沿厚度方向上的径向应力呈线性分布，周向应力成均匀分布。

　　3.2、ANSYS模拟钢管混凝土基本假定

（1）假设混凝土没有压碎：ANSYS软件研究混凝土这种非线性材料时，非常容易出现不收敛的情况，因此，在模拟钢管混凝土柱子的研究中，不考虑混凝土的非线性破坏，假设混凝土不会出现压碎，由此可以避免ANSYS在模拟钢管混凝土时不收敛的情况。

　　（2）假设无滑移：钢管与混凝土在实际的接触过程中必然会有些许空隙，但从理论研究的角度，无法对这一空隙进行研究，因此，运用ANSYS软件对这一问题进行研究时，也假设钢管和混凝土之间不会出现间隙，假设钢管与混凝土之间没有出现弹簧单元或滑移单元，两者之间没有任何粘结，假设两种材料的徐变，收缩，膨胀对整个结构没有影响，假设材料是弹性的接触良好的弹性接触。

（3）假设钢管和混凝土没有出现残余应力：残余应力通过计算机很难进行模拟，本文在研究钢管混凝土的柱子受压中，不考虑钢管混凝土的残余应力，假设钢材和混凝土为弹塑性模型。

　　3.3、收敛问题的处理

　　收敛问题主要受到网格密度，子步数，收敛准则等的影响。对于钢管混凝土的网格密度，一定要把握适中，并非越密越好，要适当调试其网格密度，最终确定最合适计算的网格密度，一般网格密度需要试计算确定。钢管混凝土的子步数，一般设置根据构件尺寸和所加荷载的大小确定，本文为了节约计算，设置的钢管混凝土柱子的尺寸适中，能反应钢管混凝土柱子受压性能即可，在计算过程中，通过试验将子步数设置在50~150之间，最终得出的结果令人满意。

　　4、ANSYS模拟钢管混凝土柱子受压过程分析

　　4.1、模型假定

　　钢管混凝土柱子在外力作用下，变形协同，工作状况良好，钢管和混凝土处于弹性受力状况，不考虑钢管混凝土的压碎破坏，假设钢管不会发生屈曲。钢管混凝土之间的滑移不考虑，假设粘结面完全粘结，不考Slip-element或Gap-element，利用模型粘接命令，直接将钢管与混凝土进行Glue命令粘接。钢管与混凝土之间为各向同性材料，其基本的力学参数，弹性模量和泊松比都选取最常见的参数，一旦进入非线性阶段，则采用塑形选项进行。

　　4.2、单元选择

　　钢管混凝土的柱子受压力学分析，必须采用三维实体单元，因此，本文的钢管采用SOLID45单元，该单元有三维的立面上的三个自由度，8个节点，同时可以模拟塑形、蠕变、膨胀、应力强化等能力。钢管的应力应变关系曲线采用最为经典的双线随动模型，有弹性和塑性两个斜率，适用于VonMises屈服准则，该准则适用于大多数金属小应变问题。混凝土采用与钢管单元类似的三维实体SOLID65单元，该单元在SOLID45的基础上增加了开裂和压碎，钢管混凝土的分析中，由于不考虑其压碎，只需关闭其压碎功能，混凝土的应力应变关系曲线采用Drucker-Prager模型，该模型主要针对混凝土，岩石等材料，采用空间8节点进行迭代。

　　4.3、钢管混凝土参数的选取

　　钢管与混凝土材料参数的选择是最重要的一环，对于钢管和混凝土，在ANSYS模拟中，需要选择一些常用的参数，如弹性模量，塑形模量，屈服应力和密度，泊松比，本文针对模型特意选定的材料参数如下：钢管单元材料参数：泊松比0.28，弹性模量2.06伊105N/mm2，屈服应力300N/mm2，密度7.85g/cm3，在应用ANSYS对钢管混凝土进行模拟时，钢管和混凝土的材料单位一定要统一，否则会影响计算结果，混凝土的材料选择为：泊松比0.2，弹性模量3.65伊104N/mm2，粘聚力5.5654N/mm2，摩擦角55.6毅，膨胀角30毅。

　　4.4、模型建立与网格划分

　　模型采用圆形钢管混凝土柱子，钢管厚度采用4mm钢管，混凝土采用实体填充，本试验采取的是钢管混凝土短柱进行分析，鉴于ANSYS单元数目太多会造成运算量过大的问题，将钢管混凝土柱子的直径设置140mm，柱子长度设定为500mm，从而进行钢管混凝土的轴向受压模型分析，由于是圆柱子，将网格划分为映射网格划分，最终形成沿柱子长度方向的均匀的四面体网格。由于本模型较为简单，并没有设置弹簧单元或者间隙单元，而是直接采用Vglue命令，直接将两种材料进行粘接。

　　4.5、计算结果显示与分析

　　本试验成功地模拟出了钢管混凝土柱子的受力，根据屈服结果和位移云图，明显地看出其位移云图符合理论分析，由此可知，运用ANSYS分析钢管混凝土柱子的受压性能是可行的。由于钢管混凝土的综合作用，钢管的套箍作用和混凝土的钢管支撑作用，钢管混凝土的屈曲形式发生了变形，钢管混凝土的受力形态与钢管和混凝土单独材料的受力形态不同，空钢管柱在截面处首先发生的局部屈服，而钢管混凝土柱则整体屈服，其屈服形态完全符合复合材料的屈服形态。根据位移的应力应变关系曲线分析，当荷载达到某一值时，钢管混凝土柱的位移和挠度发生了变化，荷载迅速下降，构件进入到不稳定平衡状态，是典型的柱子破坏特征，钢管混凝土的屈服应力得到了很大的提高，大约相当于普通钢筋混凝土理论受力的1.3~1.5倍。