方形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲的有限元分析

龍躍凌，金雪峰

(1.廣東工業大學 土木工程系，廣州510006;2.廣州住宅建設設計院，廣州510055)

方形鋼管混凝土柱較圓形鋼管混凝土柱具有鋼管制作方便，與梁連接容易處理，施工方便，易于符合建筑平面要求，截面相對開展而慣性矩大，適合作壓彎構件等優點，在某些方面具有圓形鋼管混凝土柱無法替代的作用［1］。

要使方形鋼管與內填混凝土力學特性充分發揮，節省材料，有必要對方形鋼管混凝土柱鋼管壁進行合理的局部屈曲分析。本文分別建立方形空鋼管柱和方形鋼管混凝土柱的三維有限元分析模型，對兩者進行特征值屈曲分析。

1 有限元模型建立

方形空鋼管及方形鋼管混凝土柱中的鋼管均采用8節點的Soild45單元［2］，混凝土采用8節點的 Solid65單元［2］?；炷敛此杀热?.2;鋼材泊松比取0.3。在本次分析中，混凝土采用多線性隨動強化混凝土模型，混凝土破壞準則采用William-Warnke五參數強度準則。鋼材選用雙線性隨動強化模型。由于方形鋼管混凝土的鋼管縱向受壓、橫向受拉的受力特點，其屈服準則采用Von Mises屈服準則?；炷灵_裂裂縫剪力傳遞系數和閉合裂縫剪力傳遞系數分別取0.2和0.8。開裂后剛度折減系數取0.65。

對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱分別整體建立有限元模型。其中，空鋼管取寬度b=200 mm，厚度t=3 mm，長度l=1 200 mm。柱的上下端面均假定鉸接，試件的有限元模型單元劃分示意如圖1(a)所示。對于方形鋼管混凝土柱，按文獻［3］中試件 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9的實際尺寸建模，具體尺寸見表1。柱身的上下端面均假定鉸接，試件的有限元模型單元劃分如圖1(b)所示。

圖1 方形空鋼管及方形鋼管混凝土柱的有限元模型

表1 方形鋼管混凝土柱試件尺寸

2 屈曲分析

基于上述建立的有限元模型，分別對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱進行了特征值屈曲分析。圖2(a)給出了方形空鋼管柱在屈曲荷載時的局部屈曲模態。由圖2(a)可見，試件在達到臨界屈曲荷載時，鋼管壁既向內鼓起，亦向外鼓起，其半波長約等于柱寬。這與文獻［4-5］對方形空鋼管柱的屈曲研究結果相吻合。根據文獻［4-5］，軸壓作用下方形空鋼管柱鋼管壁的局部屈曲強度σcr的理論計算公式為

式中，E為鋼管壁的彈性模量，μ為泊松比。

上述理論計算公式的計算結果與有限元計算結果十分接近，說明了本文建立的方形空鋼管柱有限元模型的正確性。

圖2(b)給出了方形鋼管混凝土柱在屈曲荷載時的局部屈曲模態。由圖2(b)可見，試件在達到屈曲荷載時，鋼管壁只發生向外鼓起，形成一個橫向半波及數個縱向半波，半波長約等于柱寬。根據文獻［6-8］，軸壓作用下方形鋼管混凝土柱鋼管壁的局部屈曲強度σcr的理論計算公式為

圖2 方形空鋼管柱及方形鋼管混凝土柱的局部屈曲模態

表2給出了文獻［3］中方形鋼管混凝土試件 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9鋼管壁屈曲強度試驗值、按公式(2)的理論計算值、有限元計算值的比較。由表2可見，有限元計算值比理論計算值更為接近試驗值。說明本文建立的方形鋼管混凝土柱有限元模型是合理的，適用于評估方形鋼管混凝土柱鋼管壁屈曲強度。

表2 方形鋼管混凝土鋼管壁屈曲強度試驗值、公式(2)理論計算值以及有限元計算值的比較

3 結論

本文針對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱分別建立的有限元分析模型，對其鋼管壁的屈曲強度進行分析，并與試驗值以及理論計算值相比較。研究表明，有限元計算值比理論計算值更為接近試驗值，說明本文建立的方形鋼管混凝土柱有限元模型是合理的，適用于評估方形鋼管混凝土柱鋼管壁屈曲強度。

［1］龍躍凌，蔡健.帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱偏壓性能的試驗研究［J］.工業建筑，2009，39(10):126-130，71.

［2］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結構有限元分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

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

［4］BLEICH F.Buckling strength of metal structures［M］.New York:McGraw-Hill，1952.

［5］TIMOSHENKO S P，GERE J M.Theory of elastic stability，2nd ed［M］.New York:McGraw-Hill，1961.

［6］UY B，BRADFORD M A.Elastic local buckling of thin steel plates in composite steel-concrete members ［J］.Journal of Constructional Steel Research，1996，18(3):193-200.

［7］UY B.Strength ofconcrete - filled steelbox columns incorporating local buckling［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2000，126(3):341-352.

［8］UY B.Strength ofconcrete - filled steelbox columns incorporating local buckling［J］.Journal of Constructional Steel Research，2001，57(2):113-134.