方鋼管混凝土柱局部屈曲有限元分析

蔣朝會

0 引言

方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。但是隨著方形鋼管混凝土截面寬厚比越來越大,鋼管很容易發生局部失穩(也即局部屈曲),鋼管的局部屈曲對構件的承載力、延性和抗彎剛度具有負面的影響。Qing Quan Ling,Brian Uy[1]等學者利用有限元分析方法得到:當截面的寬厚比 b/t＞50時,矩形鋼管混凝土柱的外包鋼管不能夠達到其極限強度,這主要是由于鋼管的局部屈曲引起的。因此,在不同的受力情況下,對不發生整體屈曲失穩的鋼管混凝土柱進行局部屈曲研究是很有必要的,本文中的鋼管混凝土柱長細比小于允許長細比(L/b≤150)。

1 方形鋼管混凝土的約束機理

方形鋼管混凝土柱在壓力作用下,核心混凝土的橫向膨脹變形使方形鋼管截面中部管壁產生水平彎曲,由于截面中部管壁的抗彎剛度較小,所以它對核心混凝土的約束力也較小。但是方形鋼管轉角處的剛度較大,變形較小,兩個垂直方向的拉力合成對核心混凝土的強力約束,所以核心混凝土承受的約束力主要是沿對角線的集中擠壓力,而截面中部處的約束力較小[2]。從試驗結果可知:當鋼板處于彈性工作狀態時,沿鋼管縱向的屈曲半波長度與柱子的截面寬度b的尺寸非常接近;另外當局部屈曲出現時,鋼管截面的4個轉角處沒有發生明顯的轉角與位移[3],如圖1所示。

將方形鋼管混凝土柱中的核心混凝土視為剛性支承,鋼管發生局部屈曲時就只能外凸而不能內凹[3,4]。由于方形鋼管轉角處的剛度較大,變形較小,故可以將非加載邊視為固定約束。

2 理論分析

文獻[6]主要分析了在偏心受壓情況下,矩形鋼管混凝土柱的局部失穩。由于鋼管混凝土柱屬于受壓構件,因此本文將文獻[6]中的應力梯度系數φ的取值范圍修改為0＜φ≤1來描述偏心距的變化,也將核心混凝土視為剛性支承,將加載邊以及非加載邊均視為固定邊。方鋼管局部屈曲的臨界應力計算公式[6]:

其中,b為截面寬度;t為鋼板厚度;D為單位寬度板的抗彎剛度為材料泊松比。

從式(1)可知,當截面寬度、鋼板厚度和鋼板強度都不改變時,隨著應力梯度系數φ從0增加到1,臨界屈曲應力 σcr會相應減少。

3 有限元模擬

有限元方法是一個功能強大的數值分析工具,目前已經被廣泛的運用于解決各種非線性問題。把有限元分析法運用于方形鋼管混凝土結構的分析中,可以更準確有效的幫助我們了解方形鋼管混凝土結構在荷載作用下其受力性能和破壞機理,從而能有效的對試驗研究進行補充,減少試驗次數,節約試驗經費。本章采用通用有限元軟件ANSYS10.0,對方形鋼管混凝土柱進行三維模擬,同時考慮材料非線性、幾何非線性和狀態非線性。

鋼板采用Shell181單元,鋼材的應力—應變關系采用如下模型[5]:

混凝土采用Solid65單元,對于方形鋼管混凝土,混凝土的應力—應變關系采用如下模型[5]:

ξ為約束系數,ξ=As?fy/Ac? fck。

有限元模型如圖2所示,外包鋼管與核心混凝土之間沒有相對滑動,故采用共用節點來進行模擬。

本文有限元模擬結果與本文式(1)的計算結果比較見圖3。

從圖3可得出,盡管本文所得到的有限元結果與理論結果有一定的偏差,但是隨著應力梯度系數φ的增加,局部臨界屈曲應力σcr都呈現出減少的趨勢。

4 結語

本文對文獻[6]中的應力梯度系數φ的取值范圍進行了修改。并將式(1)的計算結果與本文的有限元結果進行比較后得出:盡管本文所得到的有限元結果與理論結果有一定的偏差,但是隨著應力梯度系數φ的增加,局部臨界屈曲應力σcr都呈現出減少的趨勢。

[1] Qing Quan Ling,Brian Uy.Local buckling of steel plates in concrete-filled thin-walled steel tubular beam-columns[J].Journal of Constructional Steel Research,2007(63):396-405.

[2] 蔡 健,孫 剛.方形鋼管約束下核心混凝土的本構關系[J].華南理工大學學報(自然科學版),2008(1):105-109.

[3] B.Uy.Local and post-local buckling of concrete-filled steel welded box columns[J].Journal of Structural Steel Research,1998(47):47-72.

[4] 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):1-4.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結構[M].北京:科學出版社,2003.

[6] 曹遠軍,黃明奎.矩形鋼管混凝土柱局部屈曲分析[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2010(5):95-96.