蒋朝会

0 引言

方形钢管混凝土具有抗弯性能好、节点构造简单、施工方便等优点。但是随着方形钢管混凝土截面宽厚比越来越大,钢管很容易发生局部失稳(也即局部屈曲),钢管的局部屈曲对构件的承载力、延性和抗弯刚度具有负面的影响。Qing Quan Ling,Brian Uy[1]等学者利用有限元分析方法得到:当截面的宽厚比 b/t＞50时,矩形钢管混凝土柱的外包钢管不能够达到其极限强度,这主要是由于钢管的局部屈曲引起的。因此,在不同的受力情况下,对不发生整体屈曲失稳的钢管混凝土柱进行局部屈曲研究是很有必要的,本文中的钢管混凝土柱长细比小于允许长细比(L/b≤150)。

1 方形钢管混凝土的约束机理

方形钢管混凝土柱在压力作用下,核心混凝土的横向膨胀变形使方形钢管截面中部管壁产生水平弯曲,由于截面中部管壁的抗弯刚度较小,所以它对核心混凝土的约束力也较小。但是方形钢管转角处的刚度较大,变形较小,两个垂直方向的拉力合成对核心混凝土的强力约束,所以核心混凝土承受的约束力主要是沿对角线的集中挤压力,而截面中部处的约束力较小[2]。从试验结果可知:当钢板处于弹性工作状态时,沿钢管纵向的屈曲半波长度与柱子的截面宽度b的尺寸非常接近;另外当局部屈曲出现时,钢管截面的4个转角处没有发生明显的转角与位移[3],如图1所示。

将方形钢管混凝土柱中的核心混凝土视为刚性支承,钢管发生局部屈曲时就只能外凸而不能内凹[3,4]。由于方形钢管转角处的刚度较大,变形较小,故可以将非加载边视为固定约束。

2 理论分析

文献[6]主要分析了在偏心受压情况下,矩形钢管混凝土柱的局部失稳。由于钢管混凝土柱属于受压构件,因此本文将文献[6]中的应力梯度系数φ的取值范围修改为0＜φ≤1来描述偏心距的变化,也将核心混凝土视为刚性支承,将加载边以及非加载边均视为固定边。方钢管局部屈曲的临界应力计算公式[6]:

其中,b为截面宽度;t为钢板厚度;D为单位宽度板的抗弯刚度为材料泊松比。

从式(1)可知,当截面宽度、钢板厚度和钢板强度都不改变时,随着应力梯度系数φ从0增加到1,临界屈曲应力 σcr会相应减少。

3 有限元模拟

有限元方法是一个功能强大的数值分析工具,目前已经被广泛的运用于解决各种非线性问题。把有限元分析法运用于方形钢管混凝土结构的分析中,可以更准确有效的帮助我们了解方形钢管混凝土结构在荷载作用下其受力性能和破坏机理,从而能有效的对试验研究进行补充,减少试验次数,节约试验经费。本章采用通用有限元软件ANSYS10.0,对方形钢管混凝土柱进行三维模拟,同时考虑材料非线性、几何非线性和状态非线性。

钢板采用Shell181单元,钢材的应力—应变关系采用如下模型[5]:

混凝土采用Solid65单元,对于方形钢管混凝土,混凝土的应力—应变关系采用如下模型[5]:

ξ为约束系数,ξ=As◦fy/Ac◦ fck。

有限元模型如图2所示,外包钢管与核心混凝土之间没有相对滑动,故采用共用节点来进行模拟。

本文有限元模拟结果与本文式(1)的计算结果比较见图3。

从图3可得出,尽管本文所得到的有限元结果与理论结果有一定的偏差,但是随着应力梯度系数φ的增加,局部临界屈曲应力σcr都呈现出减少的趋势。

4 结语

本文对文献[6]中的应力梯度系数φ的取值范围进行了修改。并将式(1)的计算结果与本文的有限元结果进行比较后得出:尽管本文所得到的有限元结果与理论结果有一定的偏差,但是随着应力梯度系数φ的增加,局部临界屈曲应力σcr都呈现出减少的趋势。

[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,孙 刚.方形钢管约束下核心混凝土的本构关系[J].华南理工大学学报(自然科学版),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,杨晓冰,周天华.矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的解析分析[J].西安建筑科技大学学报,2002,34(3):1-4.

[5] 韩林海.钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,2003.

[6] 曹远军,黄明奎.矩形钢管混凝土柱局部屈曲分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010(5):95-96.