鋼管混凝土柱局部屈曲敏感性因數分析

應 杰 曹遠軍

矩形鋼管混凝土具有抗彎性能好、節點構造簡單、施工方便等優點。但是隨著矩形鋼管混凝土截面寬厚比越來越大,鋼管很容易發生局部屈曲,鋼管的局部屈曲對構件的承載力、延性和抗彎剛度均具有負面的影響。因此,對鋼管混凝土柱的局部屈曲進行研究是很必要的。

從所收集的試驗數據可知,柱子的寬厚比、長度、材料強度對其局部屈曲臨界應力是有影響的。Hanbin Ge[1]在鋼管混凝土柱中采用高強度混凝土,試驗后得出:鋼板的局部屈曲是由于核心混凝土的破壞而引起的。Mohanad Mursi,Brian Uy[2]在鋼管混凝土柱中采用高強度鋼材,試驗后得出:采用高強度鋼材,局部屈曲應力有很顯著的提高;另外,采用高強度鋼材和采用普通鋼材的鋼管混凝土柱一樣,隨著寬厚比的增加,局部屈曲應力也呈現出降低的趨勢。B.Uy[3]通過建立有限元模型,分析得出混凝土的澆筑方法對局部屈曲有影響;焊縫和邊界條件對局部屈曲的影響依賴于板的厚度和焊縫尺寸。Dalin Liu[4]采用高強度鋼材和高強度混凝土,構造了22個鋼管混凝土短柱。通過試驗得出:局部屈曲發生在核心混凝土被壓碎處;對于方鋼管混凝土短柱,局部屈曲幾乎同時出現在鋼板的4個側面;對于矩形鋼管混凝土短柱,截面邊長較大的邊先出現局部屈曲。綜上所述,柱子的寬厚比、核心混凝土的強度、外包鋼板的強度和構件長度對鋼管混凝土的局部屈曲臨界應力是有影響的。因此對這些因數進行分析是必要的。

目前對于鋼管混凝土柱局部屈曲的理論研究主要是將核心混凝土視為剛性支撐,鋼板與鋼板之間的縱向連接視為鉸接、固定或者彈性邊界條件,然后利用能量法推導出臨界應力的計算公式[6-8]。但是在公式中只能體現出寬厚比對局部屈曲的影響,而且采用理論來進行推導也比較困難。故采用數理統計中的多元線性回歸方法來進行分析。

1 回歸分析

1.1 試驗數據

所采用的試驗數據如表1所示。表1中的 b為截面寬度;t為鋼板厚度;fy為鋼材強度;fc為混凝土強度;σc為局部屈曲應力。

表1 樣本數據

1.2 求解回歸方程

本文選擇截面寬厚比(b/t)、鋼材強度等級(fy)和核心混凝土強度等級(fc)三個影響因素來進行回歸分析,因此建立多元線性回歸模型為:

式(1)通過最小二乘法原理確定殘差平方和,最后展開得到關于βi(i=1,2,3,4,5,6)的一個線性方程組:

式(2)為正規方程組,其解稱為 βi(i=0,1,2,3,4,5,6)的最小二乘估計βi(i=0,1,2,3,4,5,6),現設:

令:

因此式(2)可以寫成矩陣形式:

求得最小二乘估計:

根據最小二乘估計可建立回歸方程:

其中,β0=83.065;β1=-1.822;β2=0.908;β3=0.508。

最后可得回歸方程:

將由式(6)計算所得的結果與試驗結果進行比較,并繪制在圖1和圖2中,兩種結果吻合較好。

從圖1可以看出,隨著混凝土強度等級的增加,局部屈曲應力呈現出減小的趨勢,但是對于高強度混凝土,減小的趨勢不很明顯;從圖2可以看出,隨著鋼材強度等級的增加,局部屈曲應力呈現出增加的趨勢。由于樣本比較少,回歸方程不具有代表性,需要進一步收集試驗數據,進行分析。

2 結語

1)從圖1,圖2可以看出,回歸值與試驗值吻合比較好,故采用回歸方法分析局部屈曲應力是可行的。

2)隨著混凝土強度等級的增加,局部屈曲應力呈現出減小的趨勢;隨著鋼材強度等級的增加,局部屈曲應力呈現出增加的趨勢。但是由于試驗數據較少,兩種趨勢在一定范圍內都不是很明顯。

3)由于試驗數據過少,回歸方程不具有代表性,因此需要收集更多的試驗數據,進行進一步的回歸分析。

[1]Hanbin Ge,Tsutomu Usami.Strength of concrete filled thin walled steel box columns:experiment[J].Journal of Structural Engineering,1992,118(11):3036-3054.

[2]Mohanad Mursi,Brian Uy.Strength of slender concrete filled high strength steel box columns[J].Journal of Constructional Steel Research,2004(60):1825-1848.

[3]B.Uy.Wet concrete loading of thin walled steel box columns during the construction of a tall building[J].Journal of Construct Steel Research,1997,42(2):95-119.

[4]Dalin Liu.Tests on high strength rectangular concrete filled steel hollow section stub columns[J].Journal of Constructional Steel Research,2005(61):902-911.

[5]B.Uy.Localand post-localbuckling of concrete-filled steel welded box columns[J].Jouranl of Structural Steel Research,1998(47):47-72.

[6]何?？?楊曉冰,周天華.矩形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲性能的解析分析[J].西安建筑科技大學學報,2002,34(3):210-213.

[7]郭少春,楊維武,王 強.軸向壓力下剛性支承矩形鋼板件屈曲彈性分析[J].寧夏工程技術,2004,3(2):127-129.

[8]金雪峰,張學文,蔡 健.方形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲性能的研究[J].合肥工業大學學報,2007,30(7):885-887.

[9]張小蒂.應用回歸分析[M].杭州:浙江大學出版社,1991.

[10]韓林海.鋼管混凝土[M].北京:科學出版社,2000.