对钢管混凝土抗剪试验ABAQUS建模

组会报告 导师 王文达史艳莉学生 何佳星 2016年3月23日 主要内容 文献综述数值模拟遇到问题近期计划 一 文献综述 张望喜等 2006 1 在轻气炮试验装置上对8个钢管混凝土柱模型进行了冲击试验 并利用LS DYNA有限元计算软件对实验过程进行了数值模拟 结果表明 冲击荷载作用下试件残余变形 应变变化直接与弹体冲击速度有关 装夹部位设在试件中部更能真实的模拟试件受力的真实情况 张晨等 2007 2 针对钢管混凝土构件 利用ANSYS软件建立有限元模型模拟现有试验 计算结果和试验结果吻合较好 之后采用该模型对钢材强度 混凝土强度及构件截面含钢率等参数进行有限元分析 得出各个因素对构件抗冲击能力的不同影响结果 王蕊等 2008 3 利用落锤冲击试验机对3组套箍系数分别为1 1 15和1 9的两端简支钢管混凝土进行侧向冲击实验 基于实验研究结果 建立了局部变形和整体变形的计算公式 其理论计算的跨中挠度值和实验结果较为吻合 并为临界破坏冲击能的计算提供了方法 任够平等 2008 4 利用落锤式冲击试验机对不同壁厚和约束情况的26根钢管混凝土构件进行了不同落锤下落高度的侧向冲击实验 测定了试件的跨中最终挠度随冲击能量E 套箍系数 约束类型的变化数据 并采用ANSYS LS DYNA程序模拟了跨中最终挠度和挠曲线 模拟结果与试验结果吻合较好 为后继研究打下基础 李珠等 2009 5 利用落锤式冲击试验机对3组不同壁厚两端固定钢管混凝土构件分别进行了不同落锤下落高度侧向冲击下的冲击实验 揭示了套箍系数和冲击能对两端固定钢管混凝土构件的临界冲击能的影响 为进一步研究奠定了基础 温媛媛 刘亚玲 2009 6 通过落锤冲击实验 对固简支钢管混凝土柱在侧向冲击荷载作用下的动力响应问题进行了研究 分析了钢管壁厚 落锤冲击高度对最大冲击力 冲击力作用时间及构件挠度值等因素的影响 为钢管混凝土构件耐撞性能的研究提供了依据 王洪欣等 2010 7 采用落锤冲击实验和有限元方法对空心钢管混凝土构件的抗侧向冲击性能进行研究 结果表明 提高材料的强度 加强构件的边界约束可以提高构件的抗冲击性能 而空心率的增大降低了构件的抗冲击性能 余敏 查晓雄 2011 8 采用有限元方法对实心和空心钢管混凝土构件在侧向落锤冲击作用下的试验进行模拟及验证 得出了汽车撞击荷载及构件的耐撞性随着空心率变化的规律 并给出汽车冲击力的计算方法 侯川川等 2012 9 建立钢管混凝土试件在冲击荷载下的有限元计算模型 并用落锤冲击实验的试验结果对有限元模型精度进行验证 在此基础上 采用该模型分别对冲击能量 构件截面含钢率 钢材屈服强度和混凝土强度等主要参数进行参数分析 得出了各个因素对构件抗冲击能力的不同影响结果 陈建平等 2012 10 基于ANSYS LS DYNA有限元软件 对两端固支钢管混凝土柱在横向冲击荷载作用下的落锤冲击试验进行仿真模拟 得出横向冲击荷载下两端固支钢管混凝土具有良好的塑性变形能力和较好的抗冲击力学性能的结论 李立军 王蕊 2012 11 对两端固定约束下同一壁厚的钢管混凝土构件在五种不同冲击高度下进行落锤冲击试验 试验结果表明 对于壁厚较大的试件 其冲击力时程曲线主要经历冲击力迅速加载 平台值和卸载三个阶段 随着冲击能量的增加 构件的动力响应越明显 于璐 徐亚丰 2012 12 利用ABAQUS软件对4根十字形钢管混凝土芯柱构件在侧向冲击作用下的动力响应进行了模拟和分析比较 结果表明 对于两端固支 固简 简支和悬臂四种约束情况 随着约束的减弱 构件的最大位移逐渐增大 而随着约束的增强 构件的稳定性越来越好 张晨 徐勋倩 2011 13 利用冲击试验机对24根两种不同壁厚的钢管混凝土构件进行轴向冲击实验 并利用ANSYS DYNA对钢管混凝土短柱抗冲击的性能进行有限元分析 研究表明 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 章琪等 2013 14 利用ABAQUS对钢管混凝土结构受压承载力及受侧面撞击后的变形进行了模拟分析 数值模拟结果与已有试验结果吻合较好 之后用准静态计算方法给出构件受撞击后剩余受压承载力的拟合计算公式 拟合公式对工程实际有一定的参考价值 小结 可以看出 目前对于钢管混凝土等结构形式在冲击荷载下的力学性能已经展开了一些相关的研究工作 包括试验研究和理论研究 理论研究主要包括数值模拟和简化模型 很多研究者建立了相关的有限元模型 并采用试验数据对模型的精度进行了验证 但对于钢管混凝土构件的冲击问题中还有待进一步深入研究 特别是内配型钢的钢管混凝土构件 作为一种新型组合构件 已经在工程实践中得到应用 但现有实验中对这种类型的构件的抗冲击试验还很少 所以系统研究其力学性能及设计方法具有重要的意义 二 数值模拟 2 1试验工况 为研究方钢管混凝土和圆钢管混凝土短柱 剪力键 的受剪性能 延性及耗能能力 破坏形式等 分别对方形和圆形截面的钢管混凝土进行单调加载试验 方钢管短柱截面边长为150mm 厚4mm 剪跨比为2 61 圆钢管短柱截面钢管外径为D 165mm 厚4mm 剪跨比为2 87 试件长度均为550mm 钢材屈服强度fy 306 2MPa 实测钢材弹性模量Es 194000N mm2 混凝土立方体抗压强度fcu 34 2MPa 实测混凝土弹性模量Ec 31100N mm2 本模拟采用的是实测的弹性模量 本算例选自文献 黄勇 陈伟刚 段莉 钢管混凝土短柱 剪力键 受剪性能试验研究 J 建筑结构学报 2011 32 12 178 185 实验装置图 2 1 1建模要点 Property 创建三种材料属性核心混凝土本构关系模型 采用塑性损伤模型钢材本构关系模型 选用二次塑流模型加载板采用刚度很大的弹性材料 Interaction 钢管与混凝土面面接触钢管与盖板tie绑定混凝土和盖板面面接触 实体建模 壳体建模 钢管与混凝土面面接触钢管与盖板壳实耦合混凝土和盖板面面接触 Load 位移加载 约束构件底端加载板底端控制U1 U2 U3方向位移顶部受剪区域的U3方向施加位移加载量 Visualization 混凝土应力云图 钢管应力云图 当达到极限承载力时 钢管壁在底端所承受的应力最大 而核心混凝土所承受的应力很小 2 1 2模型验证 由以上荷载位移曲线可以看出 方钢管得极限承载力相对误差很小 但是荷载 位移关系初期 计算变形小于实测结果 分析原因 在荷载 位移关系初期 可能是试验得出的位移值包含了支座处的钢管受压变形而产生的位移等从而使实测位移值偏大 建模方式的问题 钢材与混凝土所采用的本构关系与论文所采用的不符合 试验信息不完全 比如夹具的厚度 对圆钢管用同样的建模方式建模得出荷载 位移曲线 改变建模方式 从悬臂式换成简支式 Load 两端支座位置控制U1 U2方向位移跨中受剪区域的U3方向施加位移加载量 问题 由试验得出的曲线可以看出 方钢管随着荷载的增大 位移缓慢增大 并没有由弹性阶段到塑性变形时荷载增大位移显著增大的现象 而在模拟时 方钢管和圆钢管一样 都会出现明显的转折 原因 2 2试验工况 圆钢管短柱截面钢管外径为D 160mm 厚5 5mm 剪跨比为0 4 试件长度为232mm 钢材屈服强度fy 377MPa 混凝土立方体抗压强度fcu 34 2MPa 本算例选自文献 徐春丽 钢管混凝土柱抗剪承载力试验研究 D 山东 山东科技大学 2005 试件上的轴力荷载作用点由球铰连接 横向荷载作用在夹具上 两简支支座与钢管表面接触部分也车成圆弧状以利于试件的纵向转动 在跨中的横向力作用点 特制了一副加载夹具 夹具厚度为60mm 横向荷载P作用在该夹具上 Load 两端支座位置控制U1 U2方向位移跨中受剪区域的U3方向施加位移加载量 2 2 1简支式 Visualization 钢管应力云图 混凝土应力云图 随着外荷载的逐渐增加 试件开始有明显的变化 特别表现在试件端部盖板受内部混凝土的挤压 会产生十分明显的鼓出现象 当达到极限承载力时 钢管壁在支座处所承受的应力最大 而核心混凝土所承受的应力很小 在达到极限荷载时 试件的变形仍逐渐增加 钢管的受压一侧凹进去 相应的另一侧外凸 最终会听到啪的断裂声 钢管混凝土在支座处被剪断 钢管混凝土应力云图 2 2 2悬臂式 位移加载 约束构件底端加载板底端控制U1 U2 U3方向位移顶部受剪区域的U3方向施加位移加载量 2 2 3模型验证 由图可以看出 悬臂式和简支式的模拟曲线差不多 模拟所得的弹性阶段的剪切刚度比试验值大 2 3试验工况 圆钢管短柱截面钢管外径为D 194mm 厚5 5mm 剪跨比为0 1 试件长度为232mm 钢材屈服强度fy 330MPa 混凝土立方体抗压强度fcu 54MPa 本算例选自文献 钱稼茹 崔瑶 方小丹 钢管混凝土柱受剪承载力试验 J 土木工程学报 2007 40 5 1 9 试件水平放置 两端支承在支座上 支座宽50mm 横向力通过加载板施加在试件跨中顶部 加载板宽100mm 支座与钢管接触面 加载板与钢管接触面加工成圆弧形 2 3 1模型验证 用相同的建模方法模拟钱稼茹的试验 发现不管采用简支还是悬臂式 P 关系计算结果和实测结果基本吻合 特别是弹性阶段也没有出现像徐春丽试验中那么大的偏差 A1 11试件荷载 位移曲线 2 3 1对比分析 通过对徐春丽和钱稼茹的不施加轴力状态下的剪切试验的模拟 发现模拟钱稼茹试验所得到的荷载 位移曲线与试验所得基本吻合 说明所采用的建模方法和选用的本构关系是正确的 而徐春丽试验所得到的荷载 位移初始阶段的偏差可能是试验精度的问题导致的 三 遇到问题 3 1粘性系数 分别取1e 4和1e 6在两个不同试验的模拟时 发现一个基本没影响 一个影响挺大 原因 3 2模拟误差 因为王勇的试验是悬臂式的 不知道支座的宽度 模拟时通过调整支座的宽度得右图 但是悬臂式