對鋼管混凝土抗剪試驗ABAQUS建模

1、蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 組會報告導(dǎo)師：王文達 史艷莉?qū)W生：何佳星2016年3月23日蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 主要內(nèi)容主要內(nèi)容v 文獻綜述文獻綜述v 數(shù)值模擬數(shù)值模擬v 遇到問題遇到問題v 近期計劃近期計劃蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 一一、文獻綜述文獻綜述蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 張望喜等(2006)1在輕氣炮試驗裝置上對8個鋼管混凝土柱模型進行了沖

2、擊試驗，并利用LS-DYNA有限元計算軟件對實驗過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，沖擊荷載作用下試件殘余變形、應(yīng)變變化直接與彈體沖擊速度有關(guān);裝夾部位設(shè)在試件中部更能真實的模擬試件受力的真實情況。 張晨等 (2007)2針對鋼管混凝土構(gòu)件，利用ANSYS軟件建立有限元模型模擬現(xiàn)有試驗，計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好。之后采用該模型對鋼材強度、混凝土強度及構(gòu)件截面含鋼率等參數(shù)進行有限元分析，得出各個因素對構(gòu)件抗沖擊能力的不同影響結(jié)果。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 王蕊等(2008)3利用落錘沖擊試驗機對3組套箍系數(shù)分別為1，1.15和1.9的兩端

3、簡支鋼管混凝土進行側(cè)向沖擊實驗?；趯嶒炑芯拷Y(jié)果，建立了局部變形和整體變形的計算公式，其理論計算的跨中撓度值和實驗結(jié)果較為吻合，并為臨界破壞沖擊能的計算提供了方法。 任夠平等(2008)4 利用落錘式?jīng)_擊試驗機對不同壁厚和約束情況的26根鋼管混凝土構(gòu)件進行了不同落錘下落高度的側(cè)向沖擊實驗，測定了試件的跨中最終撓度隨沖擊能量 E、套箍系數(shù)、約束類型的變化數(shù)據(jù)，并采用 ANSYS/LS-DYNA 程序模擬了跨中最終撓度和撓曲線，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，為后繼研究打下基礎(chǔ)。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 李珠等(2009)5 利用落錘式?jīng)_擊

4、試驗機對3組不同壁厚兩端固定鋼管混凝土構(gòu)件分別進行了不同落錘下落高度側(cè)向沖擊下的沖擊實驗，揭示了套箍系數(shù)和沖擊能對兩端固定鋼管混凝土構(gòu)件的臨界沖擊能的影響，為進一步研究奠定了基礎(chǔ)。 溫媛媛、劉亞玲(2009)6通過落錘沖擊實驗，對固簡支鋼管混凝土柱在側(cè)向沖擊荷載作用下的動力響應(yīng)問題進行了研究，分析了鋼管壁厚、落錘沖擊高度對最大沖擊力、沖擊力作用時間及構(gòu)件撓度值等因素的影響，為鋼管混凝土構(gòu)件耐撞性能的研究提供了依據(jù)。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 王洪欣等(2010)7采用落錘沖擊實驗和有限元方法對空心鋼管混凝土構(gòu)件的抗側(cè)向沖擊性能進行研究

5、，結(jié)果表明：提高材料的強度、加強構(gòu)件的邊界約束可以提高構(gòu)件的抗沖擊性能，而空心率的增大降低了構(gòu)件的抗沖擊性能。 余敏 、查曉雄(2011)8采用有限元方法對實心和空心鋼管混凝土構(gòu)件在側(cè)向落錘沖擊作用下的試驗進行模擬及驗證，得出了汽車撞擊荷載及構(gòu)件的耐撞性隨著空心率變化的規(guī)律，并給出汽車沖擊力的計算方法。 侯川川等(2012)9建立鋼管混凝土試件在沖擊荷載下的有限元計算模型，并用落錘沖擊實驗的試驗結(jié)果對有限元模型精度進行驗證。在此基礎(chǔ)上，采用該模型分別對沖擊能量、構(gòu)件截面含鋼率、鋼材屈服強度和混凝土強度等主要參數(shù)進行參數(shù)分析，得出了各個因素對構(gòu)件抗沖擊能力的不同影響結(jié)果。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院

6、王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 陳建平等(2012)10基于ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對兩端固支鋼管混凝土柱在橫向沖擊荷載作用下的落錘沖擊試驗進行仿真模擬，得出橫向沖擊荷載下兩端固支鋼管混凝土具有良好的塑性變形能力和較好的抗沖擊力學(xué)性能的結(jié)論。 李立軍、王蕊(2012)11對兩端固定約束下同一壁厚的鋼管混凝土構(gòu)件在五種不同沖擊高度下進行落錘沖擊試驗，試驗結(jié)果表明：對于壁厚較大的試件，其沖擊力時程曲線主要經(jīng)歷沖擊力迅速加載、平臺值和卸載三個階段；隨著沖擊能量的增加，構(gòu)件的動力響應(yīng)越明顯。 于璐、徐亞豐(2012)12利用ABAQUS 軟件對4根十字形鋼

7、管混凝土芯柱構(gòu)件在側(cè)向沖擊作用下的動力響應(yīng)進行了模擬和分析比較。結(jié)果表明，對于兩端固支、固簡、簡支和懸臂四種約束情況，隨著約束的減弱，構(gòu)件的最大位移逐漸增大；而隨著約束的增強，構(gòu)件的穩(wěn)定性越來越好。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 張晨、徐勛倩(2011)13利用沖擊試驗機對24根兩種不同壁厚的鋼管混凝土構(gòu)件進行軸向沖擊實驗，并利用ANSYS-DYNA對鋼管混凝土短柱抗沖擊的性能進行有限元分析。研究表明：構(gòu)件受力時，外圍鋼管的應(yīng)力遠遠大于內(nèi)部混凝土的應(yīng)力; 試件應(yīng)力、應(yīng)變時程曲線表現(xiàn)出典型彈塑性材料的性質(zhì)，數(shù)值增加到最大值后遞減，最終形成殘

8、余應(yīng)力、應(yīng)變。 章琪等(2013)14利用ABAQUS對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受壓承載力及受側(cè)面撞擊后的變形進行了模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)果與已有試驗結(jié)果吻合較好，之后用準靜態(tài)計算方法給出構(gòu)件受撞擊后剩余受壓承載力的擬合計算公式，擬合公式對工程實際有一定的參考價值。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 小結(jié)小結(jié) 可以看出，目前對于鋼管混凝土等結(jié)構(gòu)形式在沖擊荷載下的力學(xué)性能已經(jīng)展開了一些相關(guān)的研究工作，包括試驗研究和理論研究。理論研究主要包括數(shù)值模擬和簡化模型。很多研究者建立了相關(guān)的有限元模型，并采用試驗數(shù)據(jù)對模型的精度進行了驗證。 但對于鋼管混凝土構(gòu)件的沖

9、擊問題中還有待進一步深入研究。特別是內(nèi)配型鋼的鋼管混凝土構(gòu)件，作為一種新型組合構(gòu)件，已經(jīng)在工程實踐中得到應(yīng)用，但現(xiàn)有實驗中對這種類型的構(gòu)件的抗沖擊試驗還很少。所以系統(tǒng)研究其力學(xué)性能及設(shè)計方法具有重要的意義。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 二二、數(shù)值模擬數(shù)值模擬蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.1 試驗工況試驗工況 為研究方鋼管混凝土和圓鋼管混凝土短柱(剪力鍵) 的受剪性能、延性及耗能能力、破壞形式等，分別對方形和圓形截面的鋼管混凝土進行單調(diào)加載試驗。 方鋼管短柱截面邊長為150mm

10、，厚4mm，剪跨比為2.61；圓鋼管短柱截面鋼管外徑為D = 165mm，厚4mm，剪跨比為2.87。試件長度均為550mm。鋼材屈服強度fy=306.2MPa,實測鋼材彈性模量Es=194000N/mm2?；炷亮⒎襟w抗壓強度fcu=34.2MPa,實測混凝土彈性模量Ec=31100N/mm2。本模擬采用的是實測的彈性模量。 本算例選自文獻：黃勇，陳偉剛，段莉鋼管混凝土短柱(剪力鍵)受剪性能試驗研究J建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2011，32(12)：178-185.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 實驗裝置圖蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組

11、 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.1.1 建模要點建模要點 Property：創(chuàng)建三種材料屬性 核心混凝土本構(gòu)關(guān)系模型-采用塑性損傷模型 鋼材本構(gòu)關(guān)系模型-選用二次塑流模型 加載板采用剛度很大的彈性材料Interaction：l 鋼管與混凝土 面面接觸l 鋼管與蓋板 tie綁定l 混凝土和蓋板 面面接觸實體建模殼體建模u 鋼管與混凝土 面面接觸u 鋼管與蓋板 殼實耦合u 混凝土和蓋板 面面接觸蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 Load：位移加載，約束構(gòu)件底端加載板底端控制U1、U2、U3方向位移頂部受剪區(qū)域的U3方向施加位移

12、加載量蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 Visualization： 混凝土應(yīng)力云圖鋼管應(yīng)力云圖 當(dāng)達到極限承載力時，鋼管壁在底端所承受的應(yīng)力最大，而核心混凝土所承受的應(yīng)力很小。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.1.2 模型驗證模型驗證 0501001502002500510152025F/kN/mmA2試件荷載-位移曲線試驗值模擬值（實體）模擬值（殼體） 由以上荷載位移曲線可以看出，方鋼管得極限承載力相對誤差很小，但是荷載-位移關(guān)系初期，計算變形小于實測結(jié)果。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)

13、院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 分析原因分析原因在荷載-位移關(guān)系初期，可能是試驗得出的位移值包含了支座處的鋼管受壓變形而產(chǎn)生的位移等從而使實測位移值偏大；建模方式的問題；鋼材與混凝土所采用的本構(gòu)關(guān)系與論文所采用的不符合；試驗信息不完全，比如夾具的厚度。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 對對圓鋼圓鋼管用同樣的建模方式建模得出荷載管用同樣的建模方式建模得出荷載- -位移曲線位移曲線 020406080100120140160051015202530F/kN/mmB3試件荷載-位移曲線試驗值模擬值（殼體）模擬值（

14、實體）蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 改變建模方式，從懸臂式換成簡支式改變建模方式，從懸臂式換成簡支式Load：兩端支座位置控制U1、U2方向位移跨中受剪區(qū)域的U3方向施加位移加載量蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 020406080100120051015202530F/kN/mm試件B3荷載-位移曲線試驗值模擬值0501001502002500510152025F/kN/mm試件A2荷載-位移曲線試驗值模擬值（實體建模）問題：由試驗得出的曲線可以看出，方鋼管隨著荷載的增大，位移緩慢

15、增大，并沒有由彈性階段到塑性變形時荷載增大位移顯著增大的現(xiàn)象，而在模擬時，方鋼管和圓鋼管一樣，都會出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，原因？蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.2 試驗工況試驗工況 圓鋼管短柱截面鋼管外徑為D = 160mm，厚5.5mm，剪跨比為0.4。試件長度為232mm。鋼材屈服強度fy=377MPa,混凝土立方體抗壓強度fcu=34.2MPa。 本算例選自文獻：徐春麗鋼管混凝土柱抗剪承載力試驗研究D. 山東: 山東科技大學(xué)，2005.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 試件上的軸力荷

16、載作用點由球鉸連接,橫向荷載作用在夾具上。兩簡支支座與鋼管表面接觸部分也車成圓弧狀以利于試件的縱向轉(zhuǎn)動。在跨中的橫向力作用點,特制了一副加載夾具，夾具厚度為60mm,橫向荷載P作用在該夾具上。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 Load：兩端支座位置控制U1、U2方向位移跨中受剪區(qū)域的U3方向施加位移加載量2.2.1 簡支式簡支式 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 Visualization：鋼管應(yīng)力云圖混凝土應(yīng)力云圖 隨著外荷載的逐漸增加,試件開始有明顯的變化,特別表現(xiàn)在試件端部蓋板受內(nèi)

17、部混凝土的擠壓,會產(chǎn)生十分明顯的鼓出現(xiàn)象。當(dāng)達到極限承載力時，鋼管壁在支座處所承受的應(yīng)力最大，而核心混凝土所承受的應(yīng)力很小。 在達到極限荷載時,試件的變形仍逐漸增加,鋼管的受壓一側(cè)凹進去,相應(yīng)的另一側(cè)外凸,最終會聽到啪的斷裂聲,鋼管混凝土在支座處被剪斷。鋼管混凝土應(yīng)力云圖蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.2.2 懸臂式懸臂式 位移加載，約束構(gòu)件底端加載板底端控制U1、U2、U3方向位移頂部受剪區(qū)域的U3方向施加位移加載量蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.2.3 模型驗證模型驗證

18、030060090012001500180021000123456P/kNf/cms11-c1-1荷載-位移曲線試驗值模擬值(懸臂)模擬值(簡支) 由圖可以看出，懸臂式和簡支式的模擬曲線差不多 ，模擬所得的彈性階段的剪切剛度比試驗值大。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.3 試驗工況試驗工況 圓鋼管短柱截面鋼管外徑為D = 194mm，厚5.5mm，剪跨比為0.1。試件長度為232mm。鋼材屈服強度fy=330MPa,混凝土立方體抗壓強度fcu=54MPa。 本算例選自文獻：錢稼茹，崔瑤，方小丹鋼管混凝土柱受剪承載力試驗J. 土木工程學(xué)報

19、，2007，40(5)：1-9蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 試件水平放置, 兩端支承在支座上, 支座寬 50 mm; 橫向力通過加載板施加在試件跨中頂部, 加載板寬 100 mm。支座與鋼管接觸面、加載板與鋼管接觸面加工成圓弧形。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.3.1 模型驗證模型驗證 02004006008001000120014001600051015F/kN/mm試驗值模擬值(懸臂)模擬值(j簡支) 用相同的建模方法模擬錢稼茹的試驗，發(fā)現(xiàn)不管采用簡支還是懸臂式，P-關(guān)系計

20、算結(jié)果和實測結(jié)果基本吻合，特別是彈性階段也沒有出現(xiàn)像徐春麗試驗中那么大的偏差。A1-11試件荷載-位移曲線蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 2.3.1 對比分析對比分析 通過對徐春麗和錢稼茹的不施加軸力狀態(tài)下的剪切試驗的模擬，發(fā)現(xiàn)模擬錢稼茹試驗所得到的荷載-位移曲線與試驗所得基本吻合，說明所采用的建模方法和選用的本構(gòu)關(guān)系是正確的，而徐春麗試驗所得到的荷載-位移初始階段的偏差可能是試驗精度的問題導(dǎo)致的。蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 三、三、遇到問題遇到問題蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院王文達博士研究小組 3.1 粘性系數(shù)粘性系數(shù) 030060090012001500180021000246P/kNf/cms11-c1-1荷載-位移曲線02040608010012014016005101520F/KN/mmB3