十形閉口截面軸壓鋼柱穩定性分析

2015-03-23 11:25:38趙滇生錢相相

浙江建筑 2015年9期

趙滇生，錢相相

ZHAO Diansheng，QIAN Xiangxiang

(浙江工業大學建筑工程學院，浙江杭州310014)

多高層鋼結構柱多為H 形與箱形，而L 形、T 形與十形等異形閉口截面鋼柱，具有節約建筑空間、提高建筑整體美觀以及改善結構受力性能等優點［1］，在鋼結構住宅中具有良好的應用前景。目前對于異形閉口截面鋼柱的研究成果十分缺少，本文就十形閉口截面鋼柱展開研究。理論推導鋼柱在軸壓下的屈曲荷載［2］，并用軟件分析結果進行驗證，再著重研究材料非線性、初彎曲、殘余應力等因素對該類鋼柱整體穩定性的影響，并確定其失穩截面類別，從而為實際工程中設計該類截面鋼柱提供一定參考。

1 十形閉口截面鋼柱屈曲荷載的理論推導

1.1 十形鋼柱偏壓下彎扭屈曲方程推導

根據烏曼斯基約束扭轉理論，分析閉口截面桿件彎扭失穩作如下假定:

(1)剪應變yzs可以忽略不計，s 為截面沿厚度方向。

(2)剛周邊假定，即桿件扭轉變形時，各截面上的翹曲變形程度不同，但在其橫向面的投影形狀不變，見圖1。

圖1 十形閉口截面鋼柱彎扭變形

根據上述假定，可得到十形閉口截面柱彎扭屈曲的近似微分方程［2］

式中:u—截面變形后的x 方向位移;

v—截面變形后的y 方向位移;

φ—截面扭轉角;

B—雙力矩;

I?b—閉口截面廣義扇形慣性積;

E1—換算彈性模量。

1.2 十形閉口截面鋼柱兩端簡支軸壓下屈曲荷載解

若十形閉口截面軸壓柱的邊界條件為兩端簡支，求解微分方程可得鋼柱的彈性屈曲解

軸壓柱當兩端兩個方向約束相同時，繞截面弱軸彎曲失穩。最后按圖2 所示截面，取a = 200 mm，b = 100 mm，c = 200 mm，d = 100 mm，壁厚t =10 mm，選用不同長細比的柱均通過ANSYS 進行屈曲模擬分析，所得結果與理論推導值的比較見表1。模擬結果的誤差均在1.42% 以內，驗證了推導過程和結果的正確性。

圖2 十形閉口截面鋼柱截面

表1 十形截面柱特征屈曲分析

2 十形閉口截面鋼柱整體彈塑性穩定性分析

實際工程中的鋼柱必然存在初始幾何和力學缺陷，故有必要研究材料非線性、初彎曲和殘余應力等因素對十形閉口截面鋼柱整體穩定性的影響。

2.1 初彎曲的影響

本節通過ANSYS 分析材料非線性與初彎曲對十形閉口截面鋼柱整體穩定性的影響，初彎曲取構件長度的1/1000［1］，取十形閉口截面柱的截面為a =200 mm，b = 100 mm，c = 200 mm，d = 100 mm，t =10 mm，分析初彎曲對不同長細比鋼柱的影響。ANSYS 分析結果見表2 和圖3。