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3 0 四川建筑科学研究 S i c h ua n Bui l d i ng S c i e nc e 第 3 7卷第 4期 2 0 1 1 年 8月 轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析 张晨， 徐勋倩 ( 南通大学建筑工程学院， 江苏 南通2 2 6 0 1 9 ) 摘要： 利用 A N S Y S D Y N A进行了钢管混凝土短柱抗冲击性能有限元分析研究， 通过分析应力、 应变时程曲线， 获得对其抗动 力冲击性能的了解。构件受力时， 外围钢管的应力远远大于内部混凝土的应力； 试件应力、 应变时程曲线表现出典型弹塑性 材料的性质， 数值增加到最大值后递减， 最终形成残余应力、 应变。结果表明， 钢管混凝土具有良好的抗冲击力学性能， 即具 有较高的强度和屈服后承载能力， 以及良好的塑性变形能力。 关键词： A N S Y S D Y N A； 钢管混凝土短柱； 抗冲击性能； 有限元分析 中图分类号 ： T U 3 9 2 3 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 3 0一 o 4 Fi I l i t e e l e me n t a n a l y s i s o f c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e s h o r t c o l u mn s u n d e r a x i a l i mp a c t l o a d Z HANG Ch e n XU Xu n q i a n ( N a n t o n g U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e i mp a c t b e h a v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e( C F S T )s h o a c o l u mn s w a s s t u d i e d b y u s i n g s o ft w a r e A N S Y S D Y N A The s t r e s s a n d s t r a i n t i me h i s t o r y c u r v e s o f t h e t e s t e d s p e c i me n s w e r e r e c o r d e d t o a n a l y z e t h e i mp a c t b e h a v i o r o f CF S T Whi l e t h e s p e c i me n s a r e i mp a c t e d， t h e s t r e s s o f t h e s t e e l t u be i s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e c o n c r e t e ； t h e s p e c i me n s a r e t y p i c al e l a s t i c - p l a s t i c ma t e r i al a c c o rdi n g t o t h e s h a p e o f t h e s t r e s s o r s t r a i n t i me h i s t o ry c u rve s ； t h e v alu e o f s t r e s s o r s t r a i n i n c r e a s e s t o ma x i mu m v alu e， t h e n i t d e c rea s e s t o r e s i d u al s t r e s s o r s t r a i n T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t t h e CF S T h a s a n e x c e H e n t i mp a c t - res i s t a n t b e h a v i o r ，i e rel a t i v e l y h i g h e r s t r e n g t h a n d p o s t y i e l d i n g s t r e n gth，e x c e e n t p l a s t i c i t y Ke y wo r d s ： ANS YS DY NA； c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b e s h 0 r t c o l u mn ； i mp a c t - r e s i s t a n t be h a v i o r ； fi n i t e e l e me n t a n aly s i s 0 前言 1 试验与有限元计算结果比较 钢管混凝土具有承载力高、 塑性和韧性好、 经济 效益优 良和施工方便等优点 ， 作为主要 的承重构 件被广泛地应用于重 型、 大跨度结构 中。众多学者 已经对钢管混凝土结构的静力承载特 陛进行 了大量 的研究 ， 但是， 对钢管混凝土结构在冲击荷载作 用下的承载性能研究进展非常缓慢， 仅有少数学者 对其进行了研究 。 。现代结构除了承受正常设 计荷载之外 ， 还会承受撞击 、 地震和爆破等强动荷载 的作用， 因此， 研究钢管混凝土在动载作用下的力学 性能具有重要的现实意义。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 1 8 作者简介： 张晨( 1 9 8 1 一) ， 男， 山西长治人， 讲师， 硕士， 主要从事 结构工程的研究。 基金项 目： 江苏省高校 自然科学基金 资助项 目( 1 O K J D 5 6 0 0 01 ) ； 南通 大学 自然 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 0 7 z 0 7 0) ； 南 通 市 科 技 计 划 项 目 ( K 2 0 0 9 0 1 8) ； 南通 大学博 士科研 启动基金 ( 0 8 B 1 6 ) E m a i l ： b e n r y O1 1 1 2 0 00 1 2 6 C O 冲击试验在太原理工大学力学所冲击实验室内 自 行研制的 D H R 9 4 0 1 落锤式冲击试验机 上完 成 。试件设计管长 3 5 0 1T i m、 直径 1 1 4 n l m、 壁厚 3 5 mm 3 8 1 T i m， 钢材 Q 2 3 5 ， 混凝土 C 5 0 ， 每种壁厚各制 作试件 1 4根 。本次试验预先制作了3个落锤， 质 量 分别为5 0 5 0 k g ， 6 2 7 5 k g 和 8 O 1 O k g ， 3 个落锤可 分别或组合使用， 总质量已接近试验机限值。改变 落锤下落高度 ， 对试件进行轴向冲击试验 ， 得到冲击 力 、 变形等结果 。 A N S Y S L S D Y N A是全世界范围内最知名的有 限元显式求解程序， 可以模拟高速碰撞 ， 如飞机、 汽 车、 火车、 船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破 坏。本文采用双线性等向强化模型( B I S O ) 和塑性 随动模型( P K I N ) 分别模拟混凝土和钢管两种材料 ， 采用粘结处理钢材和混凝土之间接触面。通过模拟 试验过程 ， 可以得到应力 、 应变等结果 ， 如图 1 所示。 2 0 1 1 N o 4 张晨， 等： 轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析 3 l l l 图 1 钢管混凝土构件有限元模型 Fi g 1 F i I l i t e e l e me n t mo d e l o f CF S T 模拟值与试验值比较见表 1 及如图2 3 所示。 表 1 试 件轴 向位 移模 拟值 与试验值 比较 Ta b l e 1 S i mu l a t i o n a n d t e s ti n g v a l u e c o n t r a s t o f t h e a x i a l d i s p l a c e me n t 图 2 试 件轴 向位移模拟值与试 验值对比 ( 3 5 m m壁厚 ) F i g 2 S i mu l a ti o n a n d t e s ti n g v a l u e c o n t r a s t ( 3 5 mm) 模拟计算结果在低速范围内与试验结果较为接 近， 说明有限元模拟计算方法可行。 2用 A N S Y S软件进行拓展分析 2 1 应力分析 以试件 A一 4为例， 对落锤在 6 m高度冲击的 结果进行分析。 1 6 I 1 2 鑫 星s 霹 4 0 o 5 l o 1 5 2 0 冲击速度 ( m s ) 图3 试件轴向位移模拟值与试验值对比( 3 8 m m壁厚) F i g 3 S i mu l a t i o n a n d t est i n g v alu e c o n t r a s t ( 3 8 n l I n) 2 1 1 应 力云 图 1 ) 顶部横截面应力云图如图4所示。 U I ， jE+ U ， U 2， B十 U U 49 b十 U ， j 4 t l y， j t 0 1 3 9 E + 0 8 0 3 7 7 E + 0 8 06 1 5 E + 0 8 0 8 5 4 E 0 8 0 1 0 9 E + 0 9 LS- DYNA USER UT 图 4 顶部截面应 力云 图 F i g 4 Vo n fis e s s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h e t o p c r O S S s e c t i o n 图4中， 试件顶端横截面的V o n M is e s 应力云图 对应于第四强度理论的等效应力， 为计算终点时刻 数值。单向应力状态下， 失效状态或强度条件都是 以试验为基础。在复杂应力状态下 ， 经常是依据部 分试验结果 ， 经过推理 ， 提 出一些假说 ， 推测材料失 效的原因， 从而建立强度条件。经过归纳， 强度不足 引起的失效现象主要还是屈服和断裂两种类型。强 度理论认为造成失效的原因与应力状态无关 ， 是应 力、 应变或变形能等因素中某一因素引起的-3 J 。第 四强度理论即均方根剪应力理论 ， 其等效应力为 ： 0 4 = o 5 ( 1 一 2 ) + ( 0 2 一 3 ) +( 3 一 1 ) 可 以看 到， 外 围钢管的应力明显大于内部混凝 土的应力， 外部钢管应力为 7 3 4 M P a ， 内部混凝土 应力为 1 9 3 M P a 。这说明， 组合材料构件受力时， 由于各部位材料不同， 其应力可表现为数量级的差 距 。 2 ) 不同时刻试件应力云图如图5 所示。 图5清晰地表明能量由试件顶部向底部传递的 过程。t = 1 1 4 m s 时， 落锤刚接触钢管混凝土试件， 顶部局部变形很大， 应力最大值出现在顶部， 顶部以 下应力很小， 应力最小值 出现在底部。t =1 6 m s 3 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 图 5不同时刻试件应 力云 图 Fi g 5 Von M i s e s s t r e s s di s t r i but i on o f t he s pe c i m e n a t di ffe r e nt t i m e 时， 能量向下传递， 顶面以下应力值逐步增大， 此时 应力最大、 最小值都出现在顶面。f = 2 3 m s 时， 冲 击能量传递至试件底面， 沿试件长度钢材已经全部 屈服 ， 底部的应力最大。此后 ， 试件进入 了变形 回弹 的过程， 应力开始减小， 弹性变形恢复后 ， 试件上保 留塑性变形 ( 残余应变 ) ， 这一过程 中， 底 部的应力 值最大。 2 1 2 应力时程分析 沿试件高度分别取顶部、 中部和底部3点， 进行 时程分析 ， 如图 6所示 。 图 6 顶 、 中、 底部 3点 V o n Mi s e s 应力时程 曲线 Fi g 6 Vo n Mi s e s s t r e s s t i me h i s t o r y o f t h e n o d e s a t t o p， m i d d l e a n d b o t t o m p a r t 如图6 所示， 3点的等效应力表现出典型弹塑 性材料的性质， 应力值增加到最大值后有一个减小 的过程 ， 即弹性变形恢 复的过程 ， 减小量很大 ， 最后 存在残 余应 力。顶部 点 的 等效 应 力 最 大值 ( 8 7 0 MP a ) 明显大于中部和底部点的最大值( 6 6 0 M P a ) ， 中部和底部点的等效应力值非常接近， 其残余应力 大于顶部点 。 2 2 应变分析 2 2 1 顶部横截面径向各点应变 如图 7所示 ， 三方 向的应变沿直径方 向对称于 截面中心。因为构件截面是轴对称 圆截面， 中心受 力， 因此其应变也轴对称。应变数值截面中心小两 端大， 轴向应变大致是 2 3 倍， 径向应变大致是 4 1 倍。从受到冲击后的试件可以看出， 中心混凝土顶 面明显高出了外围钢材的顶面， 这是轴向位移沿直 径数值变化的表现 。 径 向 应 变 、 ： 一 一 环向应变 一 ， ，_ 向 变 ，、 0 O 2 2 8 0 4 5 6 0 6 8 4 0 9 1 2 1 1 4 ( 1 0 “ ) 图 7 沿直径各点应变 F i g 7 S t r a i n o ft h e n o d e s alo n g t h e d i a m e t e r 2 2 2应 变时程 分析 同 2 1 2节 ， 取 3点进行时程分析 。 如图 8所示 ， 各点应变值表现出典型弹塑性材 料的性质 ， 即逐渐增加到最大值后有一个减小的过 程， 即弹性变形恢复的过程， 最后形成残余应变。由 于试件很短， 能量在试件中迅速传递 ， 各点应变几乎 同时产生 ， 在很短时间内达到极值。顶部点的残余 应 变 值 明 显 大 于 其 他 两 点 的 数 值 ， 其 最 大 值 ( O 0 5 6 ) 是中部点数值( O 0 1 2 ) 的 4 7倍 。 r 1 0 = 1 图8 顶、 中、 底部 3点的轴向应变时程曲线 Fi g 8 Ax i a l s t r a i n t i me h i s t o ry o f t h e n od e s i n t o p， mi d d l e a n d b o t t o m p a r t 张晨， 等 ： 轴向冲击荷载作用下钢管混凝土短柱有限元分析 3 3 2 3加速度分析 选取试件顶面上一点 n o d e l 7和靠近底面一点 n o d e 5 8 9 ， 分析加速度的变化， 如图9 所示。 图 9 试件顶部、 底部加速度时程曲线 Fi g 9 Ac c e l e r a t i o n t i me h i s t o r y o f t o p a n d b o t t o m s e c t i o n o f t h e s p e c i me n 当物体局部受到突加荷载时， 由于物质 的惯性 ， 突加荷载对于物体各部分质点的扰动不可能同时发 生 ， 而要经过一个传播过程 ， 由局部扰动区逐步传播 到未扰动区。因为任何物体都具有一定的尺寸， 所 以严格说来， 当物体受到突加荷载作用时， 总会出现 应力波的传播过程。该试件顶部受到冲击后， 顶部 点先开始振动， 然后下部 的点依次振动。由于试件 的尺寸较小 ， 所以波在试 件 中传播 的时间很短 ( 几 十微秒) ， 因而这种传播过程表现并不 明显 。顶部 点加速度 和靠近底部点加 速度几乎 同时达 到最大 值 ， 两者的时间间隔很小， 几乎可以忽略不计 。可以 看到， 顶部点加速度最大值比靠近底部点加速度最 大值大得多( 差一个数量级) ， 有能量耗散的原因， 也和底部受到轴向约束有关。 3 结 论 1 ) 试件受到冲击荷载作用， 外围钢管的应力明 显大于内部混凝土的应力， 其值表现为数量级的差 距 。 2 ) 试件 V o n Mi s e s 等效应力 时程 曲线表现 出典 型弹塑性材料的性质， 应力值增加到最大值后减小 ， 最后存在残余应力。 3 ) 试件各点应 变时程 曲线 表现出典型弹塑性 材料的性质， 其值逐渐增加到最大值后减小， 弹性变 形恢复， 最终形成残余应变。 结果表明， 钢管混凝 土具有 良好 的抗冲击力学 性能， 即具有较高的强度和屈服后承载能力 ， 以及 良 好 的塑性变形能力。 有限元法是研究钢管混凝土构件在各种荷载作 用下力学性能的良好工具， 虽然存在一定误差， 但是 在某些条件下( 如低速冲击荷载、 静力荷载作用) 可 以满足工程要求。 参 考 文 献： 1 钟善桐 钢管混凝土结构 M 3版 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 3： 1 - 8 3 2 陈曦， 周德源 3种材料模型在钢管混凝土有限元中的比较 J 塑性工程学报， 2 0 0 8 ， 1 5 ( 4 ) ： 1 7 5 1 7 9 3 蔡健， 孙刚 方形钢管约束下核心混凝土的本构关系 J 华南理工大学学报： 自然科 学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 0 5 - 1 0 9 【 4 陈洪涛 ， 钟善桐 ， 张素梅 钢管混凝 土 中混 凝土的 三向本 构关 系 J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 6 ) ： 1 3 - 1 6 5 周筑宝， 卢楚芬 三轴应力状态下混凝土的一种新强度准则 J 固体力学学报， 1 9 9 9 ， 2 0 ( 3 ) ： 2 7 2 - 2 8 0 6 余勇， 吕西林 三向受压混凝土的三维本构关系 J 同济大 学学报， 1 9 9 8 ， 2 6 ( 6 ) ： 6 2 2 - 6 2 6 7 陈宝春， 林嘉阳 钢管混凝土单圆管拱空间受力双重非线性有 限元分析 J 铁道学报， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 6 ) ： 7 7 - 8 4 8 温海林。 余志武， 丁发兴 高温下钢管混凝土温度场的非线性 有限元分析 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 ( 5 ) ： 3 2 - 3 5 9 孙粤琳 ， 张燎军， 冉懋鸽 矩形钢管混凝土柱温度场及温度应 力的有限元分析 J 水利水电科技进展， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 5 ) ： 3 3 - 3 6 1 O 黄翔宇， 石少卿， 尹平， 等高强钢管混凝土短柱轴压承载 力试验和有限元分析 J 四川建筑科学研究， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 3 ) ： 3 941 1 1 徐兴 ， 程 晓东 。 凌道 盛 钢管 混凝土 轴心受 压构件 极限 承载 力的有限元分析 J 固体力学学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 4 ) ： 4 1 9 - 4 2 5 1 2 P r i c h a r d S J ， P e r r y S H T h e i m p a c t b e h a v i o r o f s l e e v e d c o n c r e t e c y l i n d e r s J T h e S t r u c t u r a l E n g i n e e r ， 2 0 0 0 ， 7 8 ( 1 7 ) ： 2 3 - 2 7 1 3 陈肇元， 罗家谦， 潘雪雯 钢管混凝土短柱作为防护结构构件 的性 能 M 北京 ：清华大学出版社 ， 1 9 8 6 1 4 雷建平 ， 张善元 落锤冲击加载实验装 置及 结构耐撞性实 验研 究 J 力学与 实践 。 1 9 9 6， 1 8 ( 5 ) ： 5 1 - 7 4