方鋼管混凝土柱局部屈曲有限元分析

蔣朝會(huì)

0 引言

方形鋼管混凝土具有抗彎性能好、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著方形鋼管混凝土截面寬厚比越來(lái)越大,鋼管很容易發(fā)生局部失穩(wěn)(也即局部屈曲),鋼管的局部屈曲對(duì)構(gòu)件的承載力、延性和抗彎剛度具有負(fù)面的影響。Qing Quan Ling,Brian Uy[1]等學(xué)者利用有限元分析方法得到:當(dāng)截面的寬厚比 b/t＞50時(shí),矩形鋼管混凝土柱的外包鋼管不能夠達(dá)到其極限強(qiáng)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(duì)不發(fā)生整體屈曲失穩(wěn)的鋼管混凝土柱進(jìn)行局部屈曲研究是很有必要的,本文中的鋼管混凝土柱長(zhǎng)細(xì)比小于允許長(zhǎng)細(xì)比(L/b≤150)。

1 方形鋼管混凝土的約束機(jī)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(chǎn)生水平彎曲,由于截面中部管壁的抗彎剛度較小,所以它對(duì)核心混凝土的約束力也較小。但是方形鋼管轉(zhuǎn)角處的剛度較大,變形較小,兩個(gè)垂直方向的拉力合成對(duì)核心混凝土的強(qiáng)力約束,所以核心混凝土承受的約束力主要是沿對(duì)角線的集中擠壓力,而截面中部處的約束力較小[2]。從試驗(yàn)結(jié)果可知:當(dāng)鋼板處于彈性工作狀態(tài)時(shí),沿鋼管縱向的屈曲半波長(zhǎng)度與柱子的截面寬度b的尺寸非常接近;另外當(dāng)局部屈曲出現(xiàn)時(shí),鋼管截面的4個(gè)轉(zhuǎn)角處沒(méi)有發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)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(fā)生局部屈曲時(shí)就只能外凸而不能內(nèi)凹[3,4]。由于方形鋼管轉(zhuǎn)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(xiàn)[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(wěn)。由于鋼管混凝土柱屬于受壓構(gòu)件,因此本文將文獻(xiàn)[6]中的應(yīng)力梯度系數(shù)φ的取值范圍修改為0＜φ≤1來(lái)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(yīng)力計(jì)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(dāng)截面寬度、鋼板厚度和鋼板強(qiáng)度都不改變時(shí),隨著應(yīng)力梯度系數(shù)φ從0增加到1,臨界屈曲應(yīng)力 σcr會(huì)相應(yīng)減少。

3 有限元模擬

有限元方法是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)值分析工具,目前已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用于解決各種非線性問(wèn)題。把有限元分析法運(yùn)用于方形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的分析中,可以更準(zhǔn)確有效的幫助我們了解方形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下其受力性能和破壞機(jī)理,從而能有效的對(duì)試驗(yàn)研究進(jìn)行補(bǔ)充,減少試驗(yàn)次數(shù),節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。本章采用通用有限元軟件ANSYS10.0,對(duì)方形鋼管混凝土柱進(jìn)行三維模擬,同時(shí)考慮材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性。

鋼板采用Shell181單元,鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用如下模型[5]:

混凝土采用Solid65單元,對(duì)于方形鋼管混凝土,混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用如下模型[5]:

ξ為約束系數(shù),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(méi)有相對(duì)滑動(dòng),故采用共用節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行模擬。

本文有限元模擬結(jié)果與本文式(1)的計(jì)算結(jié)果比較見(jiàn)圖3。

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

4 結(jié)語(yǔ)

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

[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(gòu)關(guān)系[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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] 何保康,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(xué)學(xué)報(bào),2002,34(3):1-4.

[5] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[6] 曹遠(yuǎn)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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(5):95-96.