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摘要:本文以ABAQUS为平台，建立一套分析方钢管混凝土有限元模型。其中核心混凝土采用混凝土损伤塑性模型，钢管采用弹塑性模型。在单轴受压作用下，分析了钢管混凝土力学性能受含钢率的影响规律和受力机理。
关键词:钢管混凝土；轴压构件；含钢率；有限元法
Abstract: This paper presents a finite element model (FEM) for the analysis of concrete filled square steel tubes (CFT) based on ABAQUS. The damage plastic model is used tu describe core concrete and elastic-plasticity model to describe the steel tube.Under the condition of axial compression, the effects of parameters to CFT ’s mechanical performance are studied. The parameters taken in account are steel ratio.
Keywords: concrete filled steel tube, axial compression members, steel ratio, the finite element method
0前沿
钢管混凝土柱具有塑性和韧性良好、稳定承载力高、节点构造简单、连接方便、有良好的抗弯性能、施工进度快等优点，日益受工程界重视，目前在我国应用越来越广泛。传统的试验研究由于具有投资大、周期长、参数变化困难等缺点，已经不能满足工程界的需要[1-3]。ABAQUS是功能强大的非线性有限元软件，可以很容易的为复杂问题建模，并可以全过程分析荷载变形等工程数据。为分析含钢率对钢管混凝土承载力的影响规律及钢管对核心混凝土强度提高的程度，本文采用大型有限元软件ABAQUS对不同含钢率下核心混凝土的力学特性进行了数值分析。
1计算模型
在下述算例分析中，在采用大型有限元软件进行分析中模型尺寸采用真实值，长宽高为a×b×L=240×240×2000mm3，其它参数列于表1。为便于收敛加载制度采用全程位移控制加载。模型中混凝土采用8节点六面体单元C3D8R模型，钢管采用4节点壳单元S4R模拟。钢管与混凝土之间的相互作用很难确定，计算中假定混凝土与钢管完全粘结，不考虑两者间的相对滑移和脱开，钢管的局部屈曲作用也不作考虑。
2计算结果与分析
图1和2所示分别为极限荷载时核心混凝土的Mises应力云图和位移云图。从位移云图中可以很清楚的看出混凝土中部随着轴向位移的增加而出现明显的鼓曲现象。从应力云图中可以看出，由于外层钢管的约束作用，核心混凝土处于三向受压应力状态。钢管的约束有效提高了核心混凝土的抗压强度，大大改善了其塑性性能。
图3为不同含钢率下单轴受构件的荷载位移曲线，从图中我们可以看出，构件的承载力随着含钢率的增加而增大。荷载曲线大致经过3个阶段：在加载的初始阶段，随着纵向位移的增大，荷载逐渐增加，曲线十分接近直线，核心混凝土和钢管均是单向受压且处于弹性阶段；接着构件出现了较为明显的塑性发展，钢管对核心混凝土的约束减弱，于是荷载位移曲线开始偏离直线而形成过度曲线；当加载至极限荷载时，钢管进入强化阶段，恢复的弹性，紧箍力更增大，混凝土抗压强度进一步提高，这时虽然钢管发生了局部鼓曲，内部混凝土也局部破坏，但荷载应变曲线仍继续上升，斜率大大降低。总体而言，钢管混凝土有很好的延性，简化的有限元计算模型能够很好的反映其变形特点[4, 5]。
图4所示为单轴受压方钢管核心混凝土在不同含钢率下荷载-位移曲线。通过不同曲线对比可以看出，钢管对核心混凝土约束效应随着钢板厚度的增加而增大，但增加的速度越来越慢。当管壁较薄时混凝土的承载力在后期有明显的下降段，当管壁达到一定的厚度时，承载了经过较短的下降后又有所增加，最终随着混凝土的局部破坏而继续下降，说明钢管对核心混凝土的约束效应随着含钢率的变化而变化。
3结语
(1)针对方钢管混凝土轴心受压构件进行了有限元分析,我们不难看出,采用ABAQUS非线性有限元软件建立的方钢管混凝土模型能够很好地模拟单轴受压作用下核心混凝土的受力性能和工作机理，为理论分析和工程实践提供了参考依据。
(2)参数分析表明: 由于钢管的存在，使混凝土应力状态发生改变，大大改善了其抗压和延性性能，使结构达到极限承载力后荷载应变曲线可继续上升。核心混凝土受钢管的约束效应显著，力学性能随几何参数α变化而变化，其承载了随着α增加而增大，但增加的速度越来越慢。
参考文献
[1] 蔡绍怀. 我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J]. 土木工程学报, 1999, 32(4): 16-26.
[2] 余勇. 方鋼管混凝土结构的性能研究[C]. 上海: 同济大学, 1998.
[3] 陈立保. 方钢管混凝土力学性能有限元分析[D]. 武汉: 武汉大学, 2004.
[4] Sagrin M.Stresss-train relation of reonerete and the analysis of Struetural concerete sections[J]. Solid mechanics study, 1971, (4): 76-84.
[5 ] Zhao X L, Grzebieta R h. Strenght and ductility of concrete filled double skin (SHS inner and SHS outer) tuber[J]. Thin-Walled Structures, 2002, 40(2): 199-213.
关键词:钢管混凝土；轴压构件；含钢率；有限元法
Abstract: This paper presents a finite element model (FEM) for the analysis of concrete filled square steel tubes (CFT) based on ABAQUS. The damage plastic model is used tu describe core concrete and elastic-plasticity model to describe the steel tube.Under the condition of axial compression, the effects of parameters to CFT ’s mechanical performance are studied. The parameters taken in account are steel ratio.
Keywords: concrete filled steel tube, axial compression members, steel ratio, the finite element method
0前沿
钢管混凝土柱具有塑性和韧性良好、稳定承载力高、节点构造简单、连接方便、有良好的抗弯性能、施工进度快等优点，日益受工程界重视，目前在我国应用越来越广泛。传统的试验研究由于具有投资大、周期长、参数变化困难等缺点，已经不能满足工程界的需要[1-3]。ABAQUS是功能强大的非线性有限元软件，可以很容易的为复杂问题建模，并可以全过程分析荷载变形等工程数据。为分析含钢率对钢管混凝土承载力的影响规律及钢管对核心混凝土强度提高的程度，本文采用大型有限元软件ABAQUS对不同含钢率下核心混凝土的力学特性进行了数值分析。
1计算模型
在下述算例分析中，在采用大型有限元软件进行分析中模型尺寸采用真实值，长宽高为a×b×L=240×240×2000mm3，其它参数列于表1。为便于收敛加载制度采用全程位移控制加载。模型中混凝土采用8节点六面体单元C3D8R模型，钢管采用4节点壳单元S4R模拟。钢管与混凝土之间的相互作用很难确定，计算中假定混凝土与钢管完全粘结，不考虑两者间的相对滑移和脱开，钢管的局部屈曲作用也不作考虑。
2计算结果与分析
图1和2所示分别为极限荷载时核心混凝土的Mises应力云图和位移云图。从位移云图中可以很清楚的看出混凝土中部随着轴向位移的增加而出现明显的鼓曲现象。从应力云图中可以看出，由于外层钢管的约束作用，核心混凝土处于三向受压应力状态。钢管的约束有效提高了核心混凝土的抗压强度，大大改善了其塑性性能。
图3为不同含钢率下单轴受构件的荷载位移曲线，从图中我们可以看出，构件的承载力随着含钢率的增加而增大。荷载曲线大致经过3个阶段：在加载的初始阶段，随着纵向位移的增大，荷载逐渐增加，曲线十分接近直线，核心混凝土和钢管均是单向受压且处于弹性阶段；接着构件出现了较为明显的塑性发展，钢管对核心混凝土的约束减弱，于是荷载位移曲线开始偏离直线而形成过度曲线；当加载至极限荷载时，钢管进入强化阶段，恢复的弹性，紧箍力更增大，混凝土抗压强度进一步提高，这时虽然钢管发生了局部鼓曲，内部混凝土也局部破坏，但荷载应变曲线仍继续上升，斜率大大降低。总体而言，钢管混凝土有很好的延性，简化的有限元计算模型能够很好的反映其变形特点[4, 5]。
图4所示为单轴受压方钢管核心混凝土在不同含钢率下荷载-位移曲线。通过不同曲线对比可以看出，钢管对核心混凝土约束效应随着钢板厚度的增加而增大，但增加的速度越来越慢。当管壁较薄时混凝土的承载力在后期有明显的下降段，当管壁达到一定的厚度时，承载了经过较短的下降后又有所增加，最终随着混凝土的局部破坏而继续下降，说明钢管对核心混凝土的约束效应随着含钢率的变化而变化。
3结语
(1)针对方钢管混凝土轴心受压构件进行了有限元分析,我们不难看出,采用ABAQUS非线性有限元软件建立的方钢管混凝土模型能够很好地模拟单轴受压作用下核心混凝土的受力性能和工作机理，为理论分析和工程实践提供了参考依据。
(2)参数分析表明: 由于钢管的存在，使混凝土应力状态发生改变，大大改善了其抗压和延性性能，使结构达到极限承载力后荷载应变曲线可继续上升。核心混凝土受钢管的约束效应显著，力学性能随几何参数α变化而变化，其承载了随着α增加而增大，但增加的速度越来越慢。
参考文献
[1] 蔡绍怀. 我国钢管混凝土结构技术的最新进展[J]. 土木工程学报, 1999, 32(4): 16-26.
[2] 余勇. 方鋼管混凝土结构的性能研究[C]. 上海: 同济大学, 1998.
[3] 陈立保. 方钢管混凝土力学性能有限元分析[D]. 武汉: 武汉大学, 2004.
[4] Sagrin M.Stresss-train relation of reonerete and the analysis of Struetural concerete sections[J]. Solid mechanics study, 1971, (4): 76-84.
[5 ] Zhao X L, Grzebieta R h. Strenght and ductility of concrete filled double skin (SHS inner and SHS outer) tuber[J]. Thin-Walled Structures, 2002, 40(2): 199-213.