摘要：隨著計算機科學的發展，有限元數值模擬方法應用越來越廣泛。在此基礎上，利用ANSYS程序對方鋼管混凝土柱的受力性能進行非線性有限元數值分析，得出混凝土在軸向力作用下的等效應力應變曲線。
　　關鍵詞：方鋼管混凝土柱；有限元模型；ANSYS程序
　　1引言
　　方鋼管混凝土結構由于其良好的結構性能已在世界各地愈來愈廣泛地應用，同時也引起眾多的研究者對其進行理論或試驗研究。然而在承載力和變形性能的研究方面，絕大多數研究成果是一些根據試驗結果歸納的經驗公式或者利用一維、二維有限元模型進行的簡化分析。由于問題的復雜程度高，有關方鋼管混凝土結構的受力機制和破壞機理，至今還未見有人對其進行深人研究的報道，而這些問題的解決恰好是我們充分了解方鋼管混凝土結構性能的關鍵。為了能更好的地了解鋼管混凝土的力學性能，就需要建立一個合理的有限元模型，對鋼管混凝土進行非線性分析。本文利用ANSYS建立有限元模型，對鋼管混凝土進行數值模擬。
　　2有限元模型建立
　　2.1材料模型
　　鋼管混凝土結構數值模擬中鋼管采用多折線性隨動強化模型(MKIN)，單軸應力應變關系采用多折線型（圖1），屈服準則為Mises準則。混凝土采用《混凝土結構設計規范GB50010-2002》（附錄c）規定的單軸應力-應變關系（圖2），強化模型采用多線性等向強化模型（MISO），屈服準則為Mises準則，破壞準則采用ANSYS程序中混凝土材料默認的William-Warnke五參數破壞準則。
　　
　　圖1鋼材本構關系                                        圖2混凝土本構關系
　　2.2單元類型
　　鋼管單元采用shell181單元，它是一個4結點單元，每個結點具有6個自由度：可以用實常數或者橫截面定義來定義該單元的厚度或者其他的一些參數。混凝土采用solid65單元，單元具有八個節點，每個節點有三個自由度，即x,y,z三個方向的線位移。Solid單元最重要的方面在于其對材料非線性的處理，其可模擬混凝土的開裂（三個正交方向）、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是四節點六自由度單元，而solid65是八節點三自由度單元，前者比后者多了繞X，Y，Z軸的三個轉動自由度，因此需要將鋼管單元繞X，Y，Z軸的轉動自由度全部固定起來。
　　
　　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應結點之間采用三個非線性彈簧單元Combin39（圖3）來模擬鋼管與混凝土之間的粘結一滑移現象，分別代表沿連接面法向、縱向切向和橫向切向的相互作用。每一個彈簧的長度為零。每一個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
　　法向彈簧系數可取一大值（近似取混凝土的彈性模量），F-D曲線為經過原點的折線(圖4)：在第三象限內取斜率很大的斜直線，在第一象限內近似為D軸，以模擬法向不抗拉的特點。
　　對于鋼管混凝土結構，橫向切向的勁度系數的試驗資料目前未曾見到，而且相關的試驗研究也很難實現，因此往往通過與縱向切向的比較，進行近似的確定。橫向切向和縱向切向受力性能基本類似，因此，在沒有試驗資料的前提下，可以假定橫向切向和縱向切向勁度系數相同，或采用與縱向切向勁度系數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
　　為了合理和準確的研究方鋼管混凝土的軸壓性能，所選構件的長度必須恰當，如果試件過長將出現彎曲變形，構件如果過短，則端部效應的影響不能忽略。因此，按照鐘善桐教授的建議，取試件長寬比等于3來進行研究。模型如圖5所示。
　　3計算結果分析
                        

　　圖5方鋼管混凝土柱有限元模型           圖6混凝土等效應力應變
　　（1）本文用ANSYS計算的方鋼管混凝土柱的極限承載力和試驗值吻合較好，這也證明了本模型的正確性。
　　（2）文獻2指出：方鋼管混凝土柱內核心混凝土的承載能力主要依賴于兩個斜對角區域，在極限狀態時，邊部的混凝上嚴重開裂、角部混凝土也因受壓而軟化。橫向應力的分布也表明，方鋼管對核心混凝土的約束作用主要集中在角部區域，這種約束應力集中的現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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