摘要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS程序?qū)Ψ戒摴?a href='http://m.wangshangbanli.cn/hltf/' target='_blank' class=infotextkey>混凝土柱的受力性能進(jìn)行非線性有限元數(shù)值分析，得出混凝土在軸向力作用下的等效應(yīng)力應(yīng)變曲線。
　　關(guān)鍵詞：方鋼管混凝土柱；有限元模型；ANSYS程序
　　1引言
　　方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于其良好的結(jié)構(gòu)性能已在世界各地愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用，同時(shí)也引起眾多的研究者對(duì)其進(jìn)行理論或試驗(yàn)研究。然而在承載力和變形性能的研究方面，絕大多數(shù)研究成果是一些根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果歸納的經(jīng)驗(yàn)公式或者利用一維、二維有限元模型進(jìn)行的簡(jiǎn)化分析。由于問(wèn)題的復(fù)雜程度高，有關(guān)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制和破壞機(jī)理，至今還未見(jiàn)有人對(duì)其進(jìn)行深人研究的報(bào)道，而這些問(wèn)題的解決恰好是我們充分了解方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。為了能更好的地了解鋼管混凝土的力學(xué)性能，就需要建立一個(gè)合理的有限元模型，對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行非線性分析。本文利用ANSYS建立有限元模型，對(duì)鋼管混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　2有限元模型建立
　　2.1材料模型
　　鋼管混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中鋼管采用多折線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(MKIN)，單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用多折線型（圖1），屈服準(zhǔn)則為Mises準(zhǔn)則。混凝土采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2002》（附錄c）規(guī)定的單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系（圖2），強(qiáng)化模型采用多線性等向強(qiáng)化模型（MISO），屈服準(zhǔn)則為Mises準(zhǔn)則，破壞準(zhǔn)則采用ANSYS程序中混凝土材料默認(rèn)的William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則。
　　
　　圖1鋼材本構(gòu)關(guān)系                                        圖2混凝土本構(gòu)關(guān)系
　　2.2單元類型
　　鋼管單元采用shell181單元，它是一個(gè)4結(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：可以用實(shí)常數(shù)或者橫截面定義來(lái)定義該單元的厚度或者其他的一些參數(shù)。混凝土采用solid65單元，單元具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即x,y,z三個(gè)方向的線位移。Solid單元最重要的方面在于其對(duì)材料非線性的處理，其可模擬混凝土的開(kāi)裂（三個(gè)正交方向）、壓碎、塑性變形及徐變，因此可以很好的反映混凝土的材料性能。由于shell181是四節(jié)點(diǎn)六自由度單元，而solid65是八節(jié)點(diǎn)三自由度單元，前者比后者多了繞X，Y，Z軸的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此需要將鋼管單元繞X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部固定起來(lái)。
　　
　　2.3接觸面模擬
　　在ANSYS有限元分析中，可以在鋼管和混凝土連接面上的相對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)之間采用三個(gè)非線性彈簧單元Combin39（圖3）來(lái)模擬鋼管與混凝土之間的粘結(jié)一滑移現(xiàn)象，分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用。每一個(gè)彈簧的長(zhǎng)度為零。每一個(gè)彈簧的性能由彈簧的力一變形曲線(F-D曲線)確定，其F-D曲線則又主要由各個(gè)方向的相互作用性能所確定。
　　
　　圖3非線性彈簧單元combin39                                                                              圖4法向F-D曲線
　　法向彈簧系數(shù)可取一大值（近似取混凝土的彈性模量），F(xiàn)-D曲線為經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的折線(圖4)：在第三象限內(nèi)取斜率很大的斜直線，在第一象限內(nèi)近似為D軸，以模擬法向不抗拉的特點(diǎn)。
　　對(duì)于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，橫向切向的勁度系數(shù)的試驗(yàn)資料目前未曾見(jiàn)到，而且相關(guān)的試驗(yàn)研究也很難實(shí)現(xiàn)，因此往往通過(guò)與縱向切向的比較，進(jìn)行近似的確定。橫向切向和縱向切向受力性能基本類似，因此，在沒(méi)有試驗(yàn)資料的前提下，可以假定橫向切向和縱向切向勁度系數(shù)相同，或采用與縱向切向勁度系數(shù)成一定比例的某一定值。在這里我們假定橫向切向和縱向切向的相互作用一致，因此橫向切向采用與縱向切向相同的F-D曲線。
　　2.4模型尺寸F-D
　　為了合理和準(zhǔn)確的研究方鋼管混凝土的軸壓性能，所選構(gòu)件的長(zhǎng)度必須恰當(dāng)，如果試件過(guò)長(zhǎng)將出現(xiàn)彎曲變形，構(gòu)件如果過(guò)短，則端部效應(yīng)的影響不能忽略。因此，按照鐘善桐教授的建議，取試件長(zhǎng)寬比等于3來(lái)進(jìn)行研究。模型如圖5所示。
　　3計(jì)算結(jié)果分析
                        

　　圖5方鋼管混凝土柱有限元模型           圖6混凝土等效應(yīng)力應(yīng)變
　　（1）本文用ANSYS計(jì)算的方鋼管混凝土柱的極限承載力和試驗(yàn)值吻合較好，這也證明了本模型的正確性。
　　（2）文獻(xiàn)2指出：方鋼管混凝土柱內(nèi)核心混凝土的承載能力主要依賴于兩個(gè)斜對(duì)角區(qū)域，在極限狀態(tài)時(shí)，邊部的混凝上嚴(yán)重開(kāi)裂、角部混凝土也因受壓而軟化。橫向應(yīng)力的分布也表明，方鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用主要集中在角部區(qū)域，這種約束應(yīng)力集中的現(xiàn)象既不同于圓鋼管混凝土截面，也不同于配方箍的約束混凝土截面。

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