摘要：随着计算机科学的发展，有限元数值模拟方法应用越来越广泛。在此基础上，利用ANSYS程序对方钢管混凝土柱的受力性能进行非线性有限元数值分析，得出混凝土在轴向力作用下的等效应力应变曲线。
关键词：方钢管混凝土柱；有限元模型；ANSYS程序
1引言
方钢管混凝土结构由于其良好的结构性能已在世界各地愈来愈广泛地应用，同时也引起众多的研究者对其进行理论或试验研究。然而在承载力和变形性能的研究方面，绝大多数研究成果是一些根据试验结果归纳的经验公式或者利用一维、二维有限元模型进行的简化分析。由于问题的复杂程度高，有关方钢管混凝土结构的受力机制和破坏机理，至今还未见有人对其进行深人研究的报道，而这些问题的解决恰好是我们充分了解方钢管混凝土结构性能的关键。为了能更好的地了解钢管混凝土的力学性能，就需要建立一个合理的有限元模型，对钢管混凝土进行非线性分析。本文利用ANSYS建立有限元模型，对钢管混凝土进行数值模拟。
2有限元模型建立
2.1材料模型
钢管混凝土结构数值模拟中钢管采用多折线性随动强化模型(MKIN)，单轴应力应变关系采用多折线型（图1），屈服准则为Mises准则。混凝土采用《混凝土结构设计规范GB50010-2002》（附录c）规定的单轴应力-应变关系（图2），强化模型采用多线性等向强化模型（MISO），屈服准则为Mises准则，破坏准则采用ANSYS程序中混凝土材料默认的William-Warnke五参数破坏准则。
图1钢材本构关系 图2混凝土本构关系
2.2单元类型
钢管单元采用shell181单元，它是一个4结点单元，每个结点具有6个自由度：可以用实常数或者横截面定义来定义该单元的厚度或者其他的一些参数。混凝土采用solid65单元，单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y,z三个方向的线位移。Solid单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理，其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，因此可以很好的反映混凝土的材料性能。由于shell181是四节点六自由度单元，而solid65是八节点三自由度单元，前者比后者多了绕X，Y，Z轴的三个转动自由度，因此需要将钢管单元绕X，Y，Z轴的转动自由度全部固定起来。
2.3接触面模拟
在ANSYS有限元分析中，可以在钢管和混凝土连接面上的相对应结点之间采用三个非线性弹簧单元Combin39（图3）来模拟钢管与混凝土之间的粘结一滑移现象，分别代表沿连接面法向、纵向切向和横向切向的相互作用。每一个弹簧的长度为零。每一个弹簧的性能由弹簧的力一变形曲线(F-D曲线)确定，其F-D曲线则又主要由各个方向的相互作用性能所确定。
图3非线性弹簧单元combin39 图4法向F-D曲线
法向弹簧系数可取一大值（近似取混凝土的弹性模量），F-D曲线为经过原点的折线(图4)：在第三象限内取斜率很大的斜直线，在第一象限内近似为D轴，以模拟法向不抗拉的特点。
对于钢管混凝土结构，横向切向的劲度系数的试验资料目前未曾见到，而且相关的试验研究也很难实现，因此往往通过与纵向切向的比较，进行近似的确定。横向切向和纵向切向受力性能基本类似，因此，在没有试验资料的前提下，可以假定横向切向和纵向切向劲度系数相同，或采用与纵向切向劲度系数成一定比例的某一定值。在这里我们假定横向切向和纵向切向的相互作用一致，因此横向切向采用与纵向切向相同的F-D曲线。
2.4模型尺寸F-D
为了合理和准确的研究方钢管混凝土的轴压性能，所选构件的长度必须恰当，如果试件过长将出现弯曲变形，构件如果过短，则端部效应的影响不能忽略。因此，按照钟善桐教授的建议，取试件长宽比等于3来进行研究。模型如图5所示。
3计算结果分析
图5方钢管混凝土柱有限元模型 图6混凝土等效应力应变
（1）本文用ANSYS计算的方钢管混凝土柱的极限承载力和试验值吻合较好，这也证明了本模型的正确性。
（2）文献2指出：方钢管混凝土柱内核心混凝土的承载能力主要依赖于两个斜对角区域，在极限状态时，边部的混凝上严重开裂、角部混凝土也因受压而软化。横向应力的分布也表明，方钢管对核心混凝土的约束作用主要集中在角部区域，这种约束应力集中的现象既不同于圆钢管混凝土截面，也不同于配方箍的约束混凝土截面。
