方钢管混凝土短柱轴压性能模拟 原创

1、 引言

方钢管混凝土结构凭借钢管对混凝土的约束作用，使构件的承载力与延性得到显著提升，在高层建筑与桥梁工程中应用广泛。该结构在轴压荷载下，钢管与混凝土协同工作，其受力机理与传统钢筋混凝土柱存在明显差异。本案例围绕方钢管混凝土短柱的轴压性能展开建模复现，借助 ABAQUS 有限元分析软件对其轴压受力性能进行数值模拟。本次复现主要聚焦于建模过程教学，不涉及参数优化内容。

2、 几何模型与材料参数

（1） 模型构建：

本案例采用减缩积分三维实体单元 C3D8R 模拟方钢管混凝土短柱的混凝土和钢管部分。混凝土六面体网格边长为 20mm，钢管网格边长为 20mm。这样的网格尺寸能够在保证计算精度的同时，避免因网格尺寸过大导致模型不收敛，或尺寸过小使计算速度明显减慢的问题，可较好地模拟实际试件的受力性能。方钢管混凝土短柱数值模拟几何模型如下所示：

图1混凝土模型

图2钢管模型

图3压板模型

图4方钢管混凝土短柱装配模型

（2） 材料属性：

混凝土材料采用 ABAQUS 中的塑性损伤模型，钢管采用随动强化弹塑性模型。普通混凝土单轴应力 - 应变关系遵循《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010），方钢管采用屈服强度560MPa级热轧重型H型钢，其应力 - 应变关系依据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）确定。

3、 分析步设置

分析类型设定为静力 - 通用分析步，设定分析时间长度为 ，同时启用几何非线性以考虑结构的大变形效应。

图6 设置分析步

图7 历程输出（方便后续在可视化步骤中直接输出荷载位移曲线）

4、 相互作用

钢管与垫块的接触面采用面面接触设置，其中法向定义为硬接触，切向按实际工况赋予0.5的摩擦系数；钢管与混凝土的接触面采用面面接触设置，其中法向定义为硬接触，切向按实际工况赋予 0.3 的摩擦系数；加载参考点与试件顶部表面通过耦合约束实现荷载传递，底部边界条件设置为固定约束。

5、 计算结果

图8应力云图

图9位移云图

6、 结论与拓展应用

（1） 模型结论

有限元模型能够较为准确地模拟方钢管混凝土短柱的轴压性能，钢管壁厚与混凝土强度是控制其破坏的关键因素。

（2） 工程建议

在实际工程设计中，可通过增加钢管壁厚、提高混凝土强度等级来提升构件的轴压承载力与延性。

（3） 拓展方向

该模拟方法可延伸至方钢管混凝土长柱、圆钢管混凝土柱等场景，也可结合反复荷载分析其抗震性能

7、 附件：本案例中的abaqus模型文件（包括cae、odb和inp文件）