基于ABAQUS的钢管混凝土柱承载能力分析

摘要：随着计算机的迅速发展及有限元程序的推出，结合工程建设的需要，专家学者们对钢管混凝土结构的研究进入了高潮。本文基于有限元软件ABAQUS对钢管混凝土柱进行稳定承载能力和强度承载能力研究。研究表明，对于长细比较大的钢管混凝土柱和钢管混凝土拱肋，在轴心受压工况下，其承载力是由稳定控制的;在实际工程中，应该更多的关注钢管混凝土轴心受压构件的失稳破坏。

关键词：钢管混凝土柱;ABAQUS;局部屈曲;极限承载能力

0 引言

钢管混凝土结构是一种新型复合结构，其力学性能在核心混凝土和外包钢管两种不同材料的相互作用中取得明显的优势[1]。一方面，钢管混凝土结构承载力远远高于外包钢管和核心混凝土承载力之和;另一方面，通过钢管和混凝土的组合作用，钢管混凝土结构不仅承载能力得到了大幅度提高，而且其延性和塑性性能也得到了良好的改善。

本文基于有限元软件ABAQUS实现钢管混凝土柱轴心受压全过程的承载能力分析。整个研究分析过程分为独立的两部分：①通过特征值屈曲分析得出用于评估稳定极限荷载的屈曲临界荷载，再通过设置初始缺陷进行非线性屈曲分析得出钢管混凝土柱的稳定极限荷载以及整个屈曲过程的荷载位移曲线;②通过设置材料非线性、几何非线性及接触非线性，进行钢管混凝土柱的静力应力场分析，得到其材料强度极限荷载及整个轴心受压过程荷载位移曲线。

1 ABAQUS有限元模型的建立

本模型中采用实体单元模拟核心混凝土，采用壳单元模拟钢管;其中钢管外径D=1m，钢管混凝土柱长l=12.5m。混凝土材料为C50，钢管为Q235钢材;钢管混凝土柱边界为一端自由，一端约束X、Y、Z三个方向的位移，并限制沿三个方向的转动。

2 钢管混凝土柱稳定承载能力分析

2.1 特征值屈曲分析

荷载采用1N的集中力进行加载，对钢管混凝土柱进行线性摄动分析，提取一阶模态特征值如下图所示。

由图2可得到此钢管混凝土柱在线性特征值屈曲分析下的前屈曲临界荷载Fcr=54163kN。

2.2 非线性屈曲分析

取特征值屈曲分析中一阶模态的百分之一作为非线性屈曲分析中的初始缺陷施加于后屈曲模型中，混凝土材料采用C50混凝土塑性损伤本构，钢材采用双折线理想本构;荷载采用在自由端施加3mm的轴向位移;并采用riks弧长法进行后屈曲分析。后屈曲分析后处理如下图所示。

ABAQUS采用Von-Mises屈服准則。通常认为，当等效应力超过材料的屈服应力时，材料发生塑性变形。由图3、图4可知钢管在其底部位置附近产生塑性应变，而混凝土在靠近底部区域已产生塑性应变。

由图5的荷载位移曲线可知此钢管混凝土柱先后经历了弹性阶段、弹塑性阶段，最终达到临界荷载后，其承载力逐渐下降;该钢管混凝土柱的失稳极限荷载为32683.9kN。

3 钢管混凝土柱强度承载能力分析

取特征值屈曲分析的模型，边界条件及接触条件均不改变;混凝土材料采用C50混凝土塑性损伤本构，钢材采用双折线理想弹塑性本构。在自由端施加10mm轴向位移，并采用general static静力分析步，分析计算后的后处理云图如下图所示。

由图6、图7可以看出钢管混凝土柱在轴向荷载作用下，钢管中间区域有较大部分应力达到屈服应力，进入弹塑性阶段;混凝土中间位置的局部区出现塑性应变，进入塑性阶段。

由图8的荷载位移曲线可得出此钢管混凝土柱在轴心受压下的强度承载能力为45114.2kN。

4结语

本文通过有限元分析软件ABAQUS建立钢管混凝土柱的相应模型，并依次进行线性特征值屈曲分析、非线性屈曲稳定分析以及非线性静力分析，得出以下结论：

1.该钢管混凝土柱的实际长细比λsc=4l0/D=100（l0为构件的计算长度，D为钢管的外径）。由于λ0=12.73<λsc=100<λp=150（λ0为临界长细比，λp为界限长细比），该钢管混凝土柱发生弹塑性失稳，也验证了失稳极限荷载值32683.9kN小于强度极限荷载值45114.2kN。

2.在实际工程中，钢管混凝土柱和钢管混凝土拱肋的长细比都很大。在多数情况下，钢管混凝土轴心受压构件的承载力是由稳定控制的。在本文中，钢管混凝土柱失稳极限荷载只有强度极限荷载的70%左右，说明稳定问题对钢管混凝土轴压构件是非常重要的，在实际工程中应该更多的关注其失稳破坏。

参考文献

[1]苏晓春.钢管混凝土受压构件力学性能研究[D].西安：西安工业大学，2015.

作者简介：

班长凯（1993-），男，助理工程师，硕士研究生，从事桥梁设计工作。

天津市政工程设计研究总院有限公司 天津 300392