英语原文共 19 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
钢管约束混凝土短柱的数值研究
作者：P.K Gupta* Heaven Singh
摘要
本文对钢管混凝土短柱的受力性能进行了数值模拟研究。采用商用软件ABAQUS v6.9（2009））对压缩过程进行了三维非线性有限元分析。选择了不同的几何形状和填充不同等级的混凝土钢管模型进行研究。通过将其结果与相应的实验样品进行比较，验证了所提出的有限元模型的有效性。该模型进一步用于研究钢管所提供的径向围压对混凝土芯的变化。观察到的值在CFST的整个长度范围内变化很大，在靠近顶部和底部压板的区域中，由于机器压板提供的端部约束，其值明显高于中间值。这与目前限制的混凝土模型相反，该模型在整个高度上使用均匀的围压值。发现有效柱长和板与试样之间的界面摩擦对短钢管混凝土柱性能的影响是可以忽略不计的。
关键词
钢管混凝土；ABAQUS；有限元；轴向压缩；非线性分析；径向围压；混凝土；组合柱；支圆间隙；
1引言
钢管混凝土柱（CFST）是一种复合结构形式。钢管填充混凝土，具有两种材料组合的优点。钢管向混凝土芯提供侧向约束，从而提高混凝土的抗剪强度和变形能力。反过来，混凝土填充物防止钢管向内局部屈曲。钢管混凝土短柱的轴压承载力高于混凝土芯和相应空心钢管的轴向承载力总和。加强筋在混凝土芯外周的布置也增强了构件的转动惯量。这提供了许多结构优点，例如改进的挠曲乌拉尔电阻和较高的初始刚度。钢管还用作建筑模板，并支撑初始施工荷载，从而降低整体成本（Shanmugam和Lakshmi 2007）。
自20世纪90年代以来，钢管混凝土柱一直是研究人员的主要研究领域。（1977）在268根钢管混凝土柱上，试验中观察到两种破坏模式，即短柱整体屈曲和短柱钢管局部屈曲的混凝土破坏。此外，圆周和八边形钢管混凝土柱的屈服屈服行为表现出应变硬化或完全塑性行为。但对于方形钢管混凝土柱，应变软化是在达到峰值荷载后观察到的破坏模式。Johansson 和Gylltoft （2001）研究了钢管混凝土柱在轴向荷载作用下的行为，以及仅当混凝土或钢被加载时的表现。他们得出的结论是，无论是加载方式还是混凝土强度都因钢与混凝土之间的粘结而增强。由于混凝土和TEL之间的粘结，所有的短柱承受了几乎完全保持的负载电阻的大变形。O#39;Shea 和 Bridge（2000）也尝试估计在不同荷载类型下钢管混凝土柱的强度。载荷是纯粹的轴向以及小偏心率。荷载仅通过钢、混凝土和钢和混凝土同时加载，所有的试件都是短柱，其长径比为3.5。他们得出的结论是，当混凝土仅轴向加载时，约束的程度最高，薄壁钢被用作纯周向约束。Schneider（1998）测试了十四个试样，研究了管形和钢管厚度对复合材料柱强度的影响。观察到圆形柱比方形或直肠柱提供了更多的屈服后轴向延性。这归因于在圆形截面中沿整个横截面的相同水平的约束，而在矩形形状中，最大限制应力发生在拐角处（由于应力集中），并朝向截面的中心减小。黄等人（2002）测试了十七根钢管混凝土柱，但柱径比厚（D/t）较高。他们还得出结论，圆形柱提供更好的峰后延展性，即使对于高D/t比高达150。Sakuno等人（2004）还研究了压缩荷载作用下短柱的性能。试验了一百一十四个不同截面形状和不同宽宽比的试件。采用普通强度混凝土和高强混凝土作为填充物。Giakoumelis和Lam（2004）测试了十五个圆形试件，研究了钢管与混凝土的粘结强度对钢管混凝土柱性能的影响，并用空心管内壁进行了试验，使其与混凝土和非润滑混凝土的粘结最小。结果表明，混凝土与钢管之间的粘结对高强混凝土的影响更为关键，而对于普通强度混凝土，由于钢与混凝土之间的粘结损失而导致的轴向承载力的降低是可以忽略不计的。古普塔等人（2007）对12根短柱进行了试验，结果表明，对于较小的D/t比，钢管对混凝土具有较好的约束作用。
利用商用有限元软件ANSYS 8研究钢管混凝土试件的二维非线性计算模型的分析法同样长足发展。奥利维拉等人（2009）对32根钢管混凝土轴压构件进行了试验研究。这些样 品的外径为114.3毫米，壁厚为3.35毫米。四个不同的L/D值，即3, 5, 7和10与4个不同等级的混凝土一起使用，其名义抗压强度为30, 60, 80 MPa和100 MPa。观察到短柱（L/D＝3）填充普通强度混凝土通常由于钢管所提供的约束而使应变硬化行为崩溃。由于钢管的约束，高强混凝土的固有脆性趋于抵消，因此，在80 MPa和100 MPa级混凝土中，钢管的应变逐渐软化。Ellobody等人（2006）利用ABAQUS 6.3代码对文献中的各种圆形钢管混凝土柱进行了模拟，并在实验和模拟结果之间取得了良好的一致性。Bahrami等人（2013）利用有限元程序LUSAS模拟了轴压加筋混凝土组合短柱的受力性能。作者报告说，柱体由于混凝土挤压在其中间高度，钢墙局部屈曲而破坏。Gupta和Gupta（2005）研究了变形管与压板界面之间的端面摩擦对空心铝管的影响。他们发现对于空心铝基座，端部摩擦可能会改变变形模式，而没有明显变化的负荷变形过程。
本研究的目的是利用通用有限元程序ABAQUS进行非线性数值模拟短钢管混凝土柱（CFST）亚喷射轴向压缩载荷。所提出的计算模型，然后对实验数据进行验证，从文献中的Giakoumelis和Lam（2004）；Gupta等人。（2007）Sakino等。（2004）；Schneider（1998）和Oliveira 等人。（2009）利用所建立的模型研究围压沿钢管混凝土柱长度的变化规律，其混凝土芯的约束变化在任何现有文献中都未被报道。此外，还研究了直径/厚度（D/t）值（保持直径不变）对钢管混凝土试件能量吸收能力的影响。在典型的框架中，荷载通过梁柱节点从梁传递到柱。柱的行为可以随载荷传递梁的几何尺寸的变化而变化。梁的几何尺寸的变化导致支承柱的有效长度发生变化。柱的行为变化可以通过采取不同的柱有效长度来模拟，通过考虑柱的不同长度来研究和报告这一方面。还研究了压板和柱试样之间存在的摩擦对柱行为的影响。
2数值模拟方法
2.1概要
任何实验问题的数值研究都为研究者提供了完全自由来详细探讨影响这一现象的任何因素。因此，随着CFST柱在实际应用中的增加，许多数值模型被提出来模拟这些构件的响应。从现有文献中可以看出，钢管混凝土短柱在轴压荷载作用下的破坏模式主要表现为空心截面的屈服和混凝土的破坏。混凝土和钢管必须采用合适的本构模型来确定钢管混凝土柱的变形模式。
2.2模型描述
2.2.1 设置种子
在任何基于有限元的分析中，适当的元素类型的选择有助于计算过程的成功。ABAQUS标准模块插图（ABAQUS 6.9 2009）用于建模。ABAQUS标准模块包括一个综合元素库，它提供迎合不同情况的不同类型的元素。当钢管混凝土柱受到轴向压缩时，填充混凝土芯表现为一个单一的固体块，在没有任何旋转的情况下进行压缩。（ABAQUS 6.9，2009）提供了一组专门为这种情况设计的固体（连续体）元件。最常用的元素是4节点线性四面体（C3D4）、Fr节点线性三棱柱（C3D8）和8节点线性砖元素（C3D8）[12]。这些元素中的每一个在每个节点上具有三个平移自由度（DOFs）。观察到，对于CFST构件，C3D4和C3D6元素提供了缓慢的收敛，并且需要非常精细的网格，这增加了计算时间和工作量。C3D8块单元拥有最适合的精度和所需的时间，可用于接触、塑性和大变形的复杂非线性分析。
空心钢管既可以用壳体单元也可以用实心块单元进行网格化，但除了平移自由度之外，壳体单元也具有旋转自由度，这可能会引起混凝土芯和钢管连接处的相容性问题，因为混凝土核心元素只有平移DOFs。因此，使用C3D8元件对钢管进行网格试验。通过元素厚度的这些元素的单层拥有良好的精度，可再现管的变形形状。混凝土芯和钢管的装配受刚性板的约束，每个板在顶部和底部各有一个。刚性板使用ABAQUS中的离散刚性选项（ABAQUS 6.9，2009）来定义。板由刚性元素库中可用的元素建模。
应注意保证混凝土芯和空心管的啮合比刚性板的啮合更细；如果不是这样，柱组件将倾向于渗透到刚性板中。在与顶部和底板接触的柱的表面之间提供表面到表面的接触。刚性部分必须始终是主表面。摩擦系数的值在两端保持为0.1。
2.2.2材料建模
（a）钢管：用弹性理想塑性模型模拟钢管的性能。这个材料的杨氏模量和泊松比分别为200 GPa和0.3。用冯·米塞斯屈服准则定义钢的屈服面。一旦钢中的应力达到屈服面，它就不进行进一步的加载，成为完全塑性的。
（b）混凝土：在ABAQUS（ABAQUS 6.9，2009）库中提供的Drucker Prager模型用于模拟混凝土的变化。该模型适用于描述抗压强度为10倍或高于拉伸强度的材料的响应。为了模拟钢管对混凝土的约束，采用黄等人（2002）提供的约束应力-应变模型，结合Drucker Prager模型对混凝土进行塑性硬化。约束混凝土相对于未约束混凝土的行为表示在图1中，约束混凝土的曲线是线性弹性到0.5；使用初始弹性模量和泊松比来描述，该泊松比为0.2。模型和其他数学细节的模型在Huang等。（2002）。
2.2.3面建模
为了研究钢管混凝土柱获得上述所有的优势，使钢管和核心混凝土复合材料必须表现为一个单一的研究对象而不是仅仅作为一个组合的两个不同的材料。这是混凝土和钢管最重要的因素，指导着复合构件的行为之间的复合行为。两种材料之间的正常接触是基于利用摩擦，混凝土与钢管内壁表面的摩擦表面，这两个表面之间的摩擦系数的选择0.25。硬接触提供了接触压力力，且仅通过两表面实际接触产生，也使得接触表面的会在拉伸力的作用下分离。
2.2.4载荷和边界条件
钢管和核心混凝土设置为完全在所有方向上无约束，以允许产生任何可能的变形。底部刚性板固定完全采用固定边界条件施加在其参考节点，同时总位移在顶部刚性板小的增量提供负荷应用（模拟实际应变控制试验条件）。的总位移值略高于一般保持在相应的实验调查相同的最大值。
3 模型验证
将数值模型的精度与作者像Giakoumelis实验模型的结果与林（2004）；Gupta等（2007）；Sakino等（2004）；Schneider（1998）和Oliveira等人（2009）进行比较。
评价参数的a）峰值抗压荷载能力b）在移动端荷载-位移响应c）设置的柱形。以下为实验研究的计算模型结果的段落（见表1），由上述的研究和文献得出
Oliveira等人（2009年）测试了16个填充不同等级混凝土和不同的直径长度（L / D）比值的试样。4个试样填充不同等级混凝土、L / D = 3，结果类似。表1说明了试样的具体参数和比较实验的模拟荷载。图2说明实验结果与相应模型的结果。从图表中可以明显地得到，好的负载变形模式可以通过从建模得出。
Giakoumelis和Lam（2004年）测试了15个试件研究约束力的影响对钢管混凝土的表现。无润滑试件 C8和C3是为模拟试样的目标模型。表1提供试样的具体参数。图3中，实验和数值模拟获得的变形取得良好的一致性，计算模型能够复制实验观察到的局部屈曲钢管壁。图4比较了试验结果与目标模型的结果，该模型的实验载荷-挠度的与试件表现接近。图5比较了实验结果与样品C8的荷载-变形响应。
Sakino等人（2004年）测试了114个不同形状和混凝土等级不同的钢管混凝土样品。在展示的研究结果中，3个他的样品使用计算模型进行模拟，所有试件的L / D比为3。表1展示样品具体参数和峰值负载抗压能力比较。图6到8为试样的负荷-变形行为的图形比较。
Gupta等人（2007）测试了72个钢管混凝土柱，范围从细长柱的L / D = 7.2到短柱L / D = 3。两个试样D3m4f1和D4m4f1，以填充M40混凝土建模。图9显示D4m4f1试样的载荷-位移曲线。图10为样本d4m3f1实验和模拟结果的挠度行为比较。显而易见的是，目标模型的预测的峰值负压与两样本模拟接近。
3.1端部摩擦的影响
众所周知，在实际的框架结构，压缩单元并非孤立的负载，相反，它们是一个连续框架，梁、柱的网络的一部分，这样的设计是为了提供一个明确的传力路径。梁的存在往往具有一定程度的固定性（因此侧向约束）附近的顶端和底端柱。Gupta和Gupta（2005）研究了管壁之间的端摩擦的影响空心铝管。据观察，摩擦在很大程度上影响着变形的模式。在钢管混凝土模型设置了用于固定的柱端的摩擦系数为0.15。然而，在实际结构中，梁柱端存在的影响可能会更大。为了获得这种效果，作者模拟了两个样本。CC4 - a-4-1（sakino et al.，2004）和C3（Giakoumelis和Lam，2004）具有不同摩擦系数（F），从非常低（F = 0.025）到非常高（F = 0.5）端节点刚度。这些模拟的结果在图12和图13给出。轴向负荷值列于表2。为简化符号，表示为摩擦顶部（）/摩擦底部（）。因此0.25/0.15表示一个顶部摩擦力0.25和底端摩擦力0.15。如果两端摩擦都是平等的，只存在一个变量的值` F。
从图12至图13可明显看出，钢管混凝土柱的荷载-挠度响应受钢管混凝土柱梁端之间和周围的摩擦影响。此外，表2中样品的的端摩擦的最大负荷值也几乎相同。
同样研究了端部
全文共10908字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16513]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
