鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)域軸壓非線性屈曲分析

李成玉 郭耀杰

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430070;2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

1 概述

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用。利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用來充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，不僅使混凝土的塑性和韌性性能大為改善，而且可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲。

軸向壓力作用下的局部屈曲是鋼管結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一，近年來，不少學(xué)者對圓鋼管混凝土柱的屈曲等問題進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，取得了很多成果[1，2]。鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)域既受到柱的軸心壓力，又要承受梁作用的彎矩和剪力，必然存在屈曲現(xiàn)象，但如果直接套用鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的屈曲分析結(jié)論，不考慮混凝土的幫襯作用，則又過于保守。

研究認(rèn)為，對軸壓圓柱殼屈曲影響最大的因素當(dāng)屬殼體中存在的初始幾何缺陷，即殼體的初始缺陷敏感性。用非線性有限元進(jìn)行圓柱殼非線性屈曲分析的前提是必須對模型施加初始擾動，亦即施加初始幾何缺陷。

在對鋼管混凝土框架節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行非線性屈曲分析時，首先在梁端施加荷載，由于梁根部受彎轉(zhuǎn)動，勢必帶動鋼管壁面外的變形，從而實(shí)現(xiàn)了鋼管柱的初始缺陷的施加;然后在柱頂施加軸向荷載，就可以完成節(jié)點(diǎn)域鋼管屈曲分析。

2 外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)軸壓屈曲分析

圖1a)是梁根部彎矩為0.5mPa(第一工況)的軸壓屈曲變形圖，在梁根部彎矩達(dá)到規(guī)定值時，在節(jié)點(diǎn)域柱壁上產(chǎn)生的最大面外變形為0.22mm。然后施加柱頂軸壓，當(dāng)達(dá)到軸壓極限值時，在節(jié)點(diǎn)域并沒有產(chǎn)生明顯的變形，反倒是不在節(jié)點(diǎn)域的柱壁產(chǎn)生了鼓脹變形(見圖1b))，表明在梁端荷載較小情況下，節(jié)點(diǎn)域的套箍作用明顯，不會出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)域的屈曲。

梁根部彎矩達(dá)到1.0mPa時(第二工況)，節(jié)點(diǎn)域柱壁最大面外變形為0.45mm，是第一種工況的2倍，但絕對值也僅有0.23mm。

在進(jìn)行軸壓加載后(第三工況)，則在節(jié)點(diǎn)域產(chǎn)生了明顯的屈曲，而且尤以下環(huán)根部處柱壁更為突出(見圖1c))，第三種工況產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)域柱壁初始面外變形值為0.89mm，軸壓作用在上環(huán)根部和下環(huán)根部的柱壁上均出現(xiàn)了明顯的屈服。

進(jìn)一步分析工況中軸壓與構(gòu)件變形的關(guān)系曲線，圖2是軸壓比與柱的軸向變形的關(guān)系曲線，當(dāng)軸壓比達(dá)到1時，柱的軸向壓縮變形量顯著增加，這是可以預(yù)料的。圖3是軸壓比與節(jié)點(diǎn)域柱壁面外變形關(guān)系曲線，該曲線大致呈三段變化，當(dāng)軸壓比小于0.6之前，柱壁面外變形幾乎沒有變化，而軸壓比超過0.6以后，柱壁面外變形開始明顯增加，當(dāng)軸壓比超過1.0以后，柱壁面外變形顯著增加。巧合的是，在進(jìn)行軸壓比對節(jié)點(diǎn)抗彎剛度影響分析時[3]，得到的規(guī)律也是當(dāng)軸壓比超過0.5之后，節(jié)點(diǎn)剛度明顯降低。

節(jié)點(diǎn)的軸壓屈曲和抗彎變形，從本質(zhì)上講是一樣的，考察的對象都是節(jié)點(diǎn)域柱壁的面外變形。由于本文有限元分析中，沒有考慮構(gòu)件的初始缺陷、焊縫以及焊縫產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等因素，因此，本文得到的值應(yīng)該偏小。

3 結(jié)語

通過對鋼管混凝土外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的有限元分析，得到了節(jié)點(diǎn)域在梁端彎曲荷載和軸向壓力作用下的屈曲現(xiàn)象。指出當(dāng)軸壓比超過0.6后，外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)有屈曲現(xiàn)象發(fā)生，這一現(xiàn)象和作者以前的相關(guān)研究結(jié)果具有一致性。因此節(jié)點(diǎn)域的局部屈曲現(xiàn)象在設(shè)計中應(yīng)得到足夠的重視。

[1]張耀春，曹寶珠.軸心受壓薄壁圓鋼管混凝土柱臨界徑厚比的確定[J].工程力學(xué)，2005，22(1):170-174.

[2]張凱寧.圓形鋼管混凝土柱在軸壓下的局部屈曲變形[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2005，22(1):170-174.

[3]李成玉，郭耀杰.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)剛度研究[A].中國鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會第十次年會論文集[C].2005:338.