基于ANSYS的圆钢管混凝土轴压短柱极限承载力分析
基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究
基于弹性变形理论的钢管混凝土短柱承载力计算理论研究论文导读:：为解决工程中得到广泛应用的钢管混凝土结构承载力计算问题，在总结分析已有钢管混凝土短柱承载力计算理论的根底上，利用弹性变形理论，推导出了钢管混凝土短柱极限承载力计算公式，利用推导得出的计算公式，对混凝土的泊松比趋近于零、混凝土的弹性模量趋近于零、钢管和混凝土的弹性模量和泊松比都相等、钢管和混凝土的泊松比相等而其弹性模量不等、钢管混凝土短柱端面上混凝土凸出或凹进的影响等六种条件下，钢管混凝土结构的承载情况进行了分析。
0引言钢管混凝土结构把钢和混凝土两种材料组合成一个整体，充分发挥了两种材料优势，不仅增强了钢管的局部稳定性，还提高了混凝土的强度，在工程中得到了比较广泛的应用。
在进行钢管混凝土结构设计时，钢管混凝土构件的承载力计算是一个非常重要的环节，钢管混凝土构件既不同于混凝土构件，又不同于材质均匀的纯钢构件，它是一种具有组合受力特性的复合材料。
因此它的承载能力的计算应当是建立在两种根本组成材料钢和混凝土作用分担之上的一种新的计算方法。
数值分析法是一种精确的计算方法，能从理论上准确地描述钢管混凝土压弯构件的工作机理和性能，但单元选取难，计算较为复杂，用它来解决工程中的钢管混凝土计算问题不现实，关于钢管混凝土承载力的计算方法，主要有四种理论，即统一理论、拟混凝土理论、拟钢理论以及叠加理论。
统一理论主要基于哈尔滨工业大学和福州大学等研究成果[1][3-4]，把钢管混凝土视为统一的一种组合材料，不再区分钢管和混凝土，通过试验回归得到组合材料的性能指标。
拟混凝土理论即中国建筑科学院提出的约束混凝土理论[2]，拟混凝土理论认为钢管混凝土本质上就是由钢管对混凝土实行套箍强化的一种套箍混凝土建筑工程论文，由于钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和变形能力，而对于钢管壁，将其视为分布在核心混凝土周围的等效纵向钢筋，钢筋的面积根据钢管的截面积和形状而定，因此，采用极限平衡理论[5]的方法推导出钢管混凝土轴压短柱的极限承载力公式。
有脱空缺陷的钢管混凝土短柱承载力分析
ＡＢ ＴＲＡＣ Ｓ Ｔ Ｔｈ ａ ａｒ ｉｇｃ ｐ ｃｔ ｆｔｅｃｎ ｒｔ— ｌ ｄ ｓｅｌｔｂ ｌ （ Ｆ Ｔ）ｃｌｍｎｗｉ ｅｒｄ ｃｄｉ ｈ ａｅｏ ｅｌ ｄ ｃｒｙｎ ａ ａｉｙｏ ｈ ｏ ｃｅｅｆｌ ｔｅ ｕ ｕａ Ｃ Ｓ ｏ ｉｅ ｒ ｏｕ ｌｂ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅｃｓ ｌ ｎ ｆ
ｃ ｍｅ ｔｔ ｎ ｄ ｖ ａ ｉｇ ｂ ｔ ｅ ｔ ｅ ａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ． ｅｅ ｐ ｒｍｅ ｔｔ ｂ ａｎ ｔ ｅ ｕｔ ｔ ｘ ａ ｒｓ ｕ ｅｏ ｈ Ｓ ｓ ｏ ｔ ｅ ｎ ａｉ ｅ ｉ ｔ ｅ ｗｅ ｎ ｓｅ ｌ ｎ ｏ ｃｅ ｅ Ｔｈ ｘ ｅ ｉ ｎ Ｏｏ ｔｉ ｈ ｌｉ ｅａ ｉｌ ｅｓ ｒ ｔ ｅＣＦ Ｔ ｈ ｒ ｏ ｎ ｍａ ｐ ｆ ｃ ｌｍｎ ｉ ｏ ｄ ｃ ｎ ｉ ｏ ｌ ｂ ｉ ｌｔ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏｕ ｇ ｏ ｏ ｄｔ ｎ ｗｉ ｅ ｓｍｕａ ｅ ａ ｅ ｎ ＡＮＳ ｎ ｉ ｌ ＹＳ ．Ｔｈ ｎ ８ ｄ ｌ ｈ ｓｒ ｓ ｏ ｔ ｃ ｌ ｍｎ ｗｉ ｈ ｅ ０ ｍｏ ｅ ｏ ｔ ｅ ＣＦ ｈ ｒ ｏ ｕ ｔ ｔ ｅ ｓｆ ｈ ｄ ｖ ａｉ ｇ ｂ ｔ ｅ ｔ ｅ ａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ ｌ ｂ ｒ ａ ｅ ｎ ｏ ｄ ｒ ｔ ｕ ｎ ｉ ｈ ｅ ｒ ｇ ｃ ｐ ｃｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆ ｒ ｚ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｉｔ ｗｅ ｎ ｓｅ ｌ ｎ ｏ ｃ ｅｅ ｗｉ ｅ ｃ ｅ ｔ ｉ ｒ ｅ Ｏ ｑ ａ ｔｚ ｔ ｅｂ ａ ｉ ａ ａ ｉｙ ｂ ｗｅ ｈ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｅ ｌ ｄ ｅ ｎ ｅ ｎ
Ｊｉ Ｈｏｎ ｇｕ ｇ Ｚｈ ｎ ｅｉｅｉ ｇ ａｎ ａｇＢ ｂ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｉｉａ ｄ Ｅ ｖ ｏ ｍｅ ｔｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｂ ｉ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｆ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ Ｂ ｉ ｇ １ ｏ ８ ） Ｓ ｈ ｏ ｖ ｎ ｎ ｉ ｎ ｎ ａ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ， ｅ ｉ ｉｅｓ ｙ ｏ ｉ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ ｅ ｉ ｏ ０ ３ ｏＣ ｌ ｒ ｉ ｊ ｎ ｔ Ｓ ｎ ｏ ｊ ｎ
CFRP-薄壁圆钢管混凝土组合短柱的非线性有限元分析
CFRP-薄壁圆钢管混凝土组合短柱的非线性有限元分析
李冉;姜作峰;马丽娜;张鸿梅
【期刊名称】《延边大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(039)003
【摘要】利用ANSYS软件建立了CFRP-薄壁圆钢管混凝土组合短柱、钢管混凝土柱、素混凝土柱对比柱的三维有限元模型,并对比分析上述3种构件在轴压作用下的延性和极限承载力的差异.研究结果表明:CFRP-薄壁圆钢管混凝土柱的极限承载力比钢管混凝土柱有较大提高(模拟的单层粘贴构件约提高11％,双层粘贴构件约提高25％),且整体刚度好,表现为弹性阶段轴向位移小,当CFRP断裂后,钢管能继续提供塑性支持；钢管混凝土柱的极限承载力比素混凝土柱提高约4倍,延性也得到很大改善；ANSYS模拟值与文献[1]中的试验值和计算值吻合较好.
【总页数】5页(P219-223)
【作者】李冉;姜作峰;马丽娜;张鸿梅
【作者单位】延边大学工学院土木工程系,吉林延吉133002;延边建设工程质量检测鉴定有限公司,吉林延吉133002;延边建设工程质量检测鉴定有限公司,吉林延吉133002;延边大学工学院土木工程系,吉林延吉133002
【正文语种】中文
【中图分类】TU375.3
【相关文献】
1.新型卷边薄壁钢板组合截面柱的非线性有限元分析 [J], 张怀卿;方有珍;夏腾云;陆承铎
2.薄壁方钢管混凝土短柱承载性能非线性有限元分析 [J], 杨俊;高轩能;沈剑波
3.薄壁钢板组合截面PEC柱的非线性有限元分析 [J], 陆佳;戴雅萍;马吉
4.CFRP-圆钢管混凝土加固RC方形短柱的承载力 [J], 赵均海;陈彦雄;张焕青
5.薄壁短柱轴压承载力的非线性有限元分析与计算 [J], 王春刚;张耀春
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内配双圆钢管的钢骨混凝土短柱的轴压承载力(精)
内配双圆钢管的钢骨混凝土柱， 以圆钢管作为 钢骨， 将混凝土分为两部分。 其核心部分由于钢管 的约束， 处于三向受压状态， 承载力得到提高， 由于 内、 外混凝土的存在， 也延缓了钢管的屈曲。随着加 载的进行， 混凝土的横向变形不断增大， 使得钢管环 向拉力不断增大， 在构件截面产生压力重分布。 当 构件达到最大荷载后， 钢管外围混凝土大片脱落， 之 ［4 ］ 后， 钢管混凝土部分屈服破坏 。 2. 2 钢管混凝土部分承载力 在实际应用中， 内配双圆钢管的钢骨混凝土柱
， 本文采用双剪统一强
度理论， 利用薄壁圆筒的统一极限解， 考虑材料中间 主应力的影响， 分析钢管对核心混凝土的加强作用 ，
Industrial Construction Vol. 44 ， No. 7 ， 2014
工业建筑 2014 年第 44 卷第 7 期 151
式中： σ3 为混凝土三向受压状态下的轴向抗压强 度， 即 f' c ； f c 为混凝土圆柱体单轴抗压强度 ； φ 为核 心混凝土的内摩擦角， 相应 k 值在 1. 0 ～ 7. 0 变化， 具体值 可 由 试 验 确 定； σ1 为 混 凝 土 所 受 侧 向 约 束力。 由材料力学可知， 核心混凝土所受钢管的侧压 力 σ1 为 ： σ1 =
本文推导的内配双圆钢管的钢骨混凝土短柱的 轴压极限承载力计算式是对各部分承载力的叠加 ， 因而经过简化后也可适用于计算单钢管钢骨混凝土 A' 短柱 的 轴 压 极 限 承 载 力 N' 。 取 N g' = N g / 2 ， cw =
表1 Table 1
内配双圆钢管的钢骨混凝土短柱的轴压承载力
王 娟
1
*
赵均海
1
刘
琦
轴压下圆形钢管混凝土短柱承载力的简化计算
凝土轴压短柱试验数据的分析并参考文献[6]的研究成果，建议当圆形钢管混凝土轴压短柱不发生局部屈
曲破坏时，钢材纵向强度折减系数 k2 按下式取值
k2 = 0.83
(4)
4. 试验验证
采 用 建 议 公 式 (1)~(4) 对 文 献 [5] 中 28 个 试 件 进 行 承 载 力 计 算 ， 本 文 计 算 结 果 与 试 验 结 果 和 GB50936-2014 [7]计算结果的对比如表 1 所示。由表 1 可知，计算结果/试验结果的最大偏差 1.10，最小 偏差 1.01/0.99，均值 1.017，方差为 0.0018；GB50936-2014 计算结果/试验结果的最大偏差 0.26，最小偏 差 1.03，均值 0.999，方差为 0.097。可见，建议公式可对圆形钢管混凝土轴压短柱的承载力进行有效地 评估，同时与 GB50936-2014 计算结果相比，建议公式的计算精度和离散性均有一定的改善。
Open Access
1. 引言
许多学者对圆形钢管混凝土柱的承载能力做了有针对性的研究，提出了一些计算该类构件的承载力 计算公式，如文献[1] [2]将圆形钢管混凝土当成一种组合材料，采用整体几何特性和性能指标来评价其承 载能力，日本 AIJ97 [3]采用钢管和混凝土强度叠加理论计算该类构件的承载力等。
Nc1/Ne
0.98 1.10 1.08 0.99 0.95 0.96 0.96 0.93 1.04 1.05 1.03 0.95 1.03 1.01 1.03 1.01 1.03 1.01 1.02 1.00 1.09 1.05 1.04 0.99 1.05 1.06 1.04 1.01
Nc2 /kN 1023.21 1336.96 1336.96 2104.04 1341.68 1506.23 1506.23 1983.98 3483.94 4242.27 4242.27 6183.17 6642.44 8554.14 8515.30 13913.36 714.16 675.58 625.36 826.13 5459.53 5964.05 5964.05 7513.83 10230.54 11740.92 11740.92 16341.29
轴心受压短柱的受力分析
截面复核： ≤400Mpa
As’fy’
σc
N cu = f c A + f y ' As '
应用：设 计、截面 复核
Nc
三、轴心受压短柱的受力分析
4. 长期荷载下徐变的影响
Nc施加后的瞬时
Nc Nc l εi
σ c1 = σ s1 ' =
αE ρ) A(1 + ν ν (1 + ) As ' αE ρ
四、轴心受压长柱的受力分析
2. 稳定系数
i= I/A
长 N cu ϕ= 短 N cu
λ = l0 / i
和长细比l0/b（矩形截面）直接相关
试验研究表明： l0 / b < 8时，ϕ = 1 l0 / b = 4 ~ 34时，ϕ = 1.177 − 0.021l0 / b l0 / b = 35 ~ 50时，ϕ = 0.87 − 0.012l0 / b
Nc
Nc
As’
l
σc1
As ‘σs1’
三、轴心受压短柱的受力分析
4. 长期荷载下徐变的影响
经历徐变后
Nc
ε cr = C ε i ε = ε i + ε cr = (1 + C t )ε i
t
Nc l εi
Nc l （εi+ εcr）
As’
l
N c = σ c 2 A + σ s 2 ' As '
αE = νEcεA(1 + ρ) ν
αE ρ) A(1 + ν
(1 +
Nc
ν ) As ' αE ρ
Nc
钢管混凝土承载力计算
4L / D
矩形钢管混凝土：
D、B 分别为圆钢管截面外径或矩形钢管截面长边长和矩形钢管截面短边长， L
是柱的计算长度，具体按支撑条件确定。
（赵鸿铁. 钢和混凝土组合结构[M]. 北京. 科学出版社）
1. 轴心受力构件
根据结构的长细比、含钢率、钢材屈服强度和混凝土强度，查找钢管混凝
土柱的稳定系数 表，（韩林海，杨有福. 现代钢管混凝土结构技术(第2版)
1ckckscy???????对于矩形钢管混凝土对于圆形钢管混凝土fff??参考韩林海杨有福现代钢管混凝土结构技术钢管混凝土短柱的极限轴压承载力可表述为钢管混凝土短柱的极限轴压承载力可表述为
二．钢管混凝土承载力计算
1. 轴心受力构件 2. 偏心受力构件 3.
格构式构件
1. 轴心受力构件
对于钢管混凝土，约束效应系数是一个非常重要的因数 不同的约束效应系数钢管混凝土的应力-应变曲线有不同的变 化趋势。
(2.3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3)
3. 格构式构件
3. 格构式构件
各肢柱的局部稳定如果满足以下条件，可不进行验算。
1 max 分别为构件在x-x和y-y方向上的换算长细比的较大值； 其中，
l1 I sc /
I sc
A
sci
为肢柱的截面惯性矩。
格构柱的缀件，应承受下能列剪力中之较大者，剪力v值可认为沿格构柱全 长不变： 1. 实际作用于格构柱上的横向剪力设计值； 2.
格构式柱分为平腹式格构式柱和斜腹式格构式柱，如图3。
图3.平腹式格构式柱和斜腹式格构式柱
3. 格构式构件
N 0 Asc f sc
偏心弯矩为：
(2.3.1)
(2.3.2)
M N 0 e0
钢管混凝土核心柱极限承载力分析
周 笑 ， 阳 彭
（ 成都 医学 院基建 工程处 ， 四川 成都 ６０８ ） １０４
【 摘 要】 钢 管混凝土利用钢管和混凝土 两种材料 的相 互作 用 ， 充分发挥两种材料的力学性能｝ 管 而钢
混凝土柱则利 用外 包混凝土解决 了钢管裸露在外带来的种种 问题。文 中详细推 导了普 通箍筋约束钢 管混凝
【 中图分类号】 Ｔ ３３ １ Ｕ ２，
【 文献标识码 】 Ａ
研究还未见有关 报导 ， 缺乏设计所需 的合理计算公式 。本文 主要就这两类柱的极限承载力计算 进行 分析研究 。
１ 钢 管混 凝 土核心柱 的特 点
钢 管 混 凝 土 利 用 钢 管 和 混 凝 土 两 种 材 料 在 受 力 过 程 中
钢管 混凝 土柱 根据外包混凝 土箍 筋约束情 况 ， 以分 为 可 以下几种类型 ： 普通箍筋 约束钢管 混凝 土柱 （ 以下称 柱 Ａ） ；
分别为纵向受压钢筋的截面积和强度， ＝ｌ 。 Ａ ｝挚 ，
１ ｃ Ｊ
考虑到外包混凝 土与 钢管混 凝土核 心一般 不能 同时达 到极 限承载力 ， 需增加一个折减系数 ， 即：
防腐 及 防火 处 理 ， 此 ， 程 中常 采 用 对 其 外 包 混 凝 土 处 理 ， 为 工 即将 钢 管 混 凝 土 置 于 柱 截 面 核 心 ， 包 普 通 钢 筋 混 凝 土 ， 外 内
２ 柱 Ａ极 限承载 力分 析
目前 ， 内外介绍该类 组合柱极 限承载力 方法主要有 以 国
型及 配筋情况 而定 。而柱 Ａ外包混 凝土没有 普通 箍筋 的横 向约束作用 ， 钢管 内混凝土只受到钢管一层横 向约束作用。 对 于普通钢管混凝 土柱极 限承载 力性 能 ， 内外 已做 了 国 大量 的理论分析和试验研究 ， 提出 了相应 的计算公式 。而 并 钢管混凝 土柱 Ａ， 国内外 在这方 面 的研 究 刚刚起 步 ； Ｂ的 柱
钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析
4、对数值模型进行验证，确保其准确性。通过对比实验与模拟结果的应力-应 变关系、破坏形态等，对模型土叠合柱的参数（如钢管厚度、混 凝土强度等），进行多组对比分析，探讨各因素对轴压性能的影响。
6、对实验和数值模拟结果进行理论分析，结合实际情况对钢管混凝土叠合柱 的轴压性能进行评估。
钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析
01 引言
03 分析方法 05 结论
目录
02 概念阐述 04 实例分析 06 参考内容
引言
钢管混凝土轴压短柱是一种常见的结构形式，在建筑、桥梁等领域得到广泛应 用。在地震、风载等外力作用下，钢管混凝土轴压短柱的力学性能研究具有重 要意义。非线性有限元分析作为一种有效的数值模拟方法，能够综合考虑材料 的非线性行为和截面几何特性，为钢管混凝土轴压短柱的分析提供有力支持。 本次演示将介绍钢管混凝土轴压短柱非线性有限元分析的基本概念、方法步骤 和实际应用，并探讨其优势、不足及未来研究方向。
3、材料模型：混凝土和钢管的材料模型需根据实际材料特性进行选择。常用 的混凝土模型包括弹塑性模型、损伤塑性模型等；钢管模型则一般采用弹性模 型或弹塑性模型。
4、边界条件处理：根据实际结构边界条件进行约束和支撑处理。对于固定端， 可采用固定支撑；对于自由端，可采用弹簧元或滚动支撑进行处理。
实例分析
1、钢管混凝土短柱在受到冲击作用时，表现出明显的动态响应，其冲击响应 曲线呈非线性特点。
2、钢管的类型和混凝土的强度对钢管混凝土短柱的抗冲击性能具有重要影响。 采用高强度钢管和高质量混凝土可以提高试件的抗冲击性能。
引言
钢管混凝土叠合柱是一种新型的组合结构，具有较高的承载力和抗震性能，在 建筑和桥梁工程中得到广泛应用。轴压性能是钢管混凝土叠合柱的重要性能指 标之一，直接关系到结构的安全性和稳定性。因此，对钢管混凝土叠合柱轴压 性能进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
钢管混凝土短柱轴压力学性能分析及其数值模拟
第17卷第32期2017年11月1671 — 1815(2017)032-0233-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 17 No.32 Nov. 2017©2017 Sci.Tech.Engrg.钢管混凝土短柱轴压力学性能分析及其数值模拟杨晓杰1!2刘晨康1!2!耿强1!2王嘉敏1!2宋志刚1!2赵东东1!2张磊2 (中国矿业大学（北京）深部岩土力学与地下工程国家重点实验室1 $力学与建筑工程学院2$北京100083)摘要钢管混凝土短柱是研究钢管混凝土最基本的构件，研究钢管混凝土短柱有助于了解钢管混凝土的力学性能，为研究 其他构件提供了一个基础。
对钢管混凝土短柱的力学性能进行了分析，归纳总结了短住轴压承载力理论计算公式，并采用有 限元软件ABAQUS对不同壁厚钢管混凝土短柱进行轴心受压模拟。
总结得出，随着壁厚的增加，钢管混凝土短柱的极限承载 能力逐步提高，二者之间符合线性关系。
将数值模拟软件计算求得不同壁厚短柱极限承载力与理论公式计算得出的值做出 对比分析，校核发现两者较为接近，说明数值模拟计算效果良好。
最后，总结分析位移荷载曲线，提出钢管混凝土短柱塑性破 坏角概念。
随着钢管壁厚的增加，短柱塑性变形能力提高，塑性破坏角变大，当壁厚达到11. 185 1m m时，短柱发生理想塑性 变形。
关键词钢管混凝土 轴心受压 极限承载力 壁厚效应 数值模拟 塑性破坏角中图法分类号TD353.2; 文献标志码A钢管混凝土结构和其他工程材料想比具有延性好、承载力高等优点，在建筑和桥梁工程的施工中得到了非常广泛的应用(1—6]。
钢管混凝土短柱轴心受压是工程中比较常见的一种受力形式，许多专家学者也对此进行了研究，在短柱抗压性能的研究过程中，提出了统一理论[1]和极限平衡理论[2]。
韩林海[4]进行了圆钢管混凝土短柱轴压性能实验研究，研究表明钢混短柱的延性较好、承载能力高，在不同约束效应下短柱呈现不同的破坏形态，主要分腰鼓状破坏和剪切型破坏两种典型破坏形态。
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广东建材２０１０年第４期 研究与探讨
基于ＡＮＳＹＳ的圆钢管混凝土
轴压短柱极限承载力分析
黑文豪许波
（中南大学土木建筑学院）
摘 要：圆钢管混凝土是圆钢管内填充混凝土后形成的一种组合截面构件，在工程结构中已经得到
了广泛的应用。本文借助有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，考虑两种材料本构关系的非线性建立了组合截面短
柱在轴压作用下的非线性有限元模型。并通过数值算例采用剥离分析的方法，得到了轴压作用下处于
复杂应力场的极艰承载力，以及钢材和核心混凝土轴力分配与纵向应变的关系曲线，与试验结果对比
相吻合。
关键词：钢管混凝土：轴压；非线性有限元；套箍约束
１概述
钢管混凝土以其优越的结构性能受到工程师的青
睐，工程应用越来越广泛。由于钢管对核心混凝土的约
束套箍作用使核心混凝土处于三向受压状态从而使核
心混凝土具有更高的强度和压缩变形能力。同时，由于
核心混凝土的支撑作用可以避免或延缓钢材发生局部
屈曲，从而保证其材料性能的充分发挥。
本文借助有限元软件ＡＮＳＹＳ对轴压钢管混凝土短 柱进行了有限元分析，考虑两种材料本构关系的非线性 建立有限元模型并与参照文献 的试验结果对比，分析 了轴压钢管混凝土的极限承载能力及破坏过程中各内 力和纵向应变的变化情况，揭示了钢管对核心混凝土的 套箍约束作用的本质。 ２材料本构关系 ２．１钢材 钢材的应力一应变关系曲线按下式确定（图１）： Ｏ ０ｖ ｃ对 ｃ－ ｅｊ 图１钢材的应力一应变曲线 式中：ｏ 为钢材应力，ｆ 为钢材屈服强度，ｆ．．为钢 材的极限强度，取ｆ．．＝１．５ｆ ；Ｅ 为钢材弹性模量，取Ｅ ＝２．１×１０ｓ，Ｅ 为强化模量，Ｅ ＝ Ｅ ；￡ 为钢材的应变， ｅ 为钢材屈服时的应变，ｅ 为钢材强化时的应变，ｅ 为钢材达到极限强度时的应变，ｅ．．＝ｅ。＋＋０．５ｆ（ Ｅ ）。本ｓ／ 文参照文献 １］，取￡ ＝１２￡ ￡ ＝１２０￡ｖ，‘：１／２１６。 ２．２核心混凝土 本文采用韩林海提出的核心混凝土的应力一应变
关系模型［１］，该模型充分考虑了约束效应系数的影响，
参数设置较为合理，系数回归时取得了很多试验数据，
是目前较为理想的一种模型，其应力应变关系模型为：
一
７
时
￡
ｅ
当
￡
￡
￡
ｆ
研究与探讨 广东建材２０１０年第４期
表１材料参数
外径 钢管厚 长度 钢管材料参数 核心混凝土参数 试件编号
Ｄ（咖） ｔ（ｍｍ） Ｌ（ｍｍ） Ａ （ｍｍ ） ｆ （ＭＰａ） Ｅ。（ＭＰａ） Ａ （ｍｍ０） ｆ （ＭＰａ） Ｅ （ＭＰａ）
Ｍ—Ｃ—ｌ—ｌ２０ｈ １４０．３ ３．６２ ４ｌ８ １５５２．４ ３２５．３ ２１００００ １３９０５．４ ４６．２ ３７０００
图３杆件结构图
ｆ
ｃｋ【１． ＋（ ）（－０．０７４８５毛２＋０．５７ ）ｊ
ｅ。一 ＋
［１４００＋ｓｏ０（ ）
￡
。
＝１３００＋１４．９３ｆ ｋ（ｕ￡）
Ａ：２．０一Ｋ：Ｂ＝１．０一Ｋ
０．７４５
Ｋ＝０．１毛
ｑ
Ｂ＝（２．３６￣１０ ）。。 ㈨’ ５
．
０×（ｆ。ｋ）。１
．
０×１０
ｆ ——混凝土标准强度（以ＭＰａ为单位代入）
乏——套箍系数（＝ａ ），ｆ 为钢管屈服极限，ａ为
ｃｋ
构件截面含钢率（＝Ａ ／Ａ ）。Ａ 和Ａ 分别为钢管及其核心
漏凝士的横截面积。
３有限元模型的建立
本文以文献 。 中的钢管混凝土试件Ｍ—Ｃ一卜１２０ｈ为
例，采用与试验相同的几何尺寸和材料参数建立有限元
模型进行分析，试件的情况如表１所示。
计算采用的基本假定为：①不考虑普通钢筋对承载
力的影响；②混凝土和钢管之间无相对滑移；③位移场
始终连续：
根据各个单元的特性，混凝土采用Ｓｏｌｉｄ６５单元，
本构关系采用韩林海提出的核心混凝土的应力一应变
关系模型（图１），强化模型采用多线性等向强化模型
８一
图４约束及加载图
（ＭＩＳＯ）。考虑混凝土的特点提出相应的破坏准则，国内
外大量研究表明，线性莫尔准则ｆ５］（Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服
准则）对三向受压混凝土有很好的适用性，与试验结果
吻合较好，因此在本文中采用Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ准则，对核
心受压混凝土其强度条件可以表述为：Ｏ ≤ｆ。＋ｋ Ｏ （取
ｋ＝３）。钢管采用Ｓｏｌｉｄ４５单元，本构关系采用由四段曲
线构成的钢材一维应力一应变关系曲线模型（图２），屈
服准贝０为Ｍｉｓｅｓ准贝０＿４］。
为避免端部约束或加载等局部效应的影响，杆件
上、下端设置１５ｍ Ｉｌｌ厚钢垫板，杆件结构图如图３。约束
端施加Ｘ、Ｙ、Ｚ三个方向的约束，加载端施Ｘ、Ｙ方向约束
并施加Ｚ方向位移荷载，荷载值取：一５．０ｍｍ。约束及荷载
图如图４。
考虑混凝土开裂、端部约束的影响，为了在ＡＮＳＹＳ
计算时能够达到收敛并且收敛精度较好，本文没有考虑
混凝土的压碎，在设置Ｓｏｌｉｄ６５单元时，关闭了压碎选
项。
４ ＡＮＳＹＳ计算结果
为揭示钢管混凝土轴压短柱的受力机理，参照文献团
采用剥离分析法，根据测定逐级荷载下钢管外表面的纵
向应变和环向应变，利用数值方法，计算出钢管的内力，
在由平衡条件确定核心混凝土的内力变化，以此来确定
钢管和核心混凝土的内力变化。
本文参考文献 ｚ 的剥离分析法，提取ＡＮＳＹＳ计算结
果进行分析。从图７（钢管Ｏ 应力云图）可以看出时问
历程的最后阶段钢管环向应力Ｏ 在构件两端为压应
广东建材２０１０年第４期 研究与探讨
图５核心混凝土应力云图
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ｍＥ ＩＭｑＡＬｙｓＥ Ｏｒ Ｉ＾ｔｔｃＨＡＮ ＡＲＣＨ ＢＲＺＤ０Ｓ
图７钢管应力云图
力而构件中部鼓胀部位出现拉应力，此时由图６（钢管 ｏ 应力云图）可以看出钢管轴向压应力从加载端及约 束端向构件中部鼓胀部位由大到小的对称过渡。由图５ （核心混凝土０ 应力云图）可以看出核心混凝土的轴 向压力从核心向外径由小到大过渡，且中部鼓胀位置比 加载端及约束端大。取中部鼓胀部位钢管Ｏ 压应力最 小的单元，提取该单元轴向应力ｏ ｚ—ｅ过程曲线，由 ｏ 可求得钢管纵向内力Ｎ。，Ｎｓ ０ ｚＡ。，由平衡条件： Ｎ－－Ｎ ＋Ｎｃ可以得到作用在核心混凝土上的外力Ｎｃ， Ｎｃ＝Ｎ—Ｎ。，从而可以得到轴向压力Ｎ、钢管纵向内力Ｎ 、核 心混凝土上的外力 与纵向应变ｅ的历程关系曲线， 如图８（极限承载力及钢管与混凝土之间的轴力分配 图）。 ５结论 （１）本文采用有限元程序ＡＮＳＹＳ建模计算出的构件 极限承载力及采用剥离分析方法剥离出的钢管与混凝 土的各自受力都与参考文献中的试验结果吻合较好。 （２）核心混凝土由于受钢管的约束其轴向抗压能力 舞 ＝＝＝：＝ 黑 Ｔ 豫ＬＹ５Ｅｏｒ ＬＡ ＨＡＮ ＡＲＬ＂￣Ｉ Ｂ Ｉ＊￡ 图６钢管应力云图 ｌ｜００ Ｉ＂Ｏ 逼＂ｏ 生 ●ＳＯ ０ ０ ’Ｄ口口｜０００ ＩＺＯＯＯ ｅ，ｌＬ￡ 图８极限承载力及钢管与混凝土之间的轴力分配图 得到较大提高，钢管为混凝土提供径向约束的同时纵向
应力大幅降低而环向拉应力大幅提高。
（３）由于钢管对混凝土的约束作用，加载后期出现内
力由钢管向核心混凝土转移的现象。●
【参考文献】
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