中空夹层混凝土内管屈曲分析.pdf

7 2 低温建筑技术 2 0 1 1年第 8期 ( 总第 1 5 8期 ) 中空夹层混凝土内管屈 曲分析 杨宇 ( 1 ．东北石油大学 土木 建筑 工程学院， 黑 龙江大庆1 6 3 3 1 8； 2 ．东北石油大学防灾减灾与防护工程重点实验室． 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 ) 【 摘要】 为确定大直径中空夹层混凝土柱中内钢管在混凝土作用下的稳定性能 ， 对 5 ~0 m m长的圆钢管 开展了有限元线性屈曲分析， 在此基础上 ， 采用高级弧长法对圆钢管进行了非线性失稳分析， 建模和求解过程中 考虑了几何和材料双重非线性的影响， 得到了内钢管结构变形最大点的全过程荷载 一位移曲线以及单元和节点 的应力分布图。给出中空夹层混凝土柱中内圆钢管避免在达到承载力之前发生失稳的四点建议， 为进一步开展 该类柱的极限承载力分析奠定基础。 【 关键词】 薄壁圆钢管； 几何非线性 ； 弧长法； 抗失稳 【 中图分类号】 T U 3 3 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 8 — 0 0 7 2 — 0 2 中空夹层混凝土柱中薄壁内钢管 由于机械或夹 层t 昆 凝土挤压作用在整体或局部 区域不可避免地会 产生压应力 ， 当压应力超过钢管临界荷载时则会引起 钢管的整体或局部失稳 - 3 ] 。研究薄壁内圆钢管的稳 定性目的在于确定薄壁圆钢管的临界载荷及其相应 的失稳振型， 以便采取有效的加强措施 ， 从而提高中 空夹层混凝土柱 中薄壁 内钢管抗失稳 能力 。本 文 对 5 m长的圆钢管开展 了有限元线性屈曲分析， 在此 基础上， 采用弧长法进行了非线性失稳分析， 得到了 圆钢管结构整体稳定 的全过程荷载 一位移 曲线 以及 单元和节点的应力分布 ， 最后提出中空夹层混凝土柱 中薄壁内钢管抗失稳的几点措施， 为此类柱的构造设 计提供参考。 1有限元模型 1 ． 1 分析参数 薄壁圆钢管中径取为 l O 0 0 m m， 壁厚 2 m m， 计算长 度取为5 0 0 0 ra m， 材料为 Q 2 3 5钢材， 弹性模量和泊松 比如文献[ 2 ] 所示。 1 ． 2 有 限元建模 采用 A N S Y S 中 S o l i d 4 5单元模拟 圆钢管 的壳 壁， 沿着圆周方 向线段的剖分数取为 2 0份 ， 圆钢管轴 向剖分数取为 4 0份， 厚度方 向管壁 比较薄， 线段 的剖 分数取为 I份， 由于钢管两端往往可以得到结构体系 的加强， 因此两端可以保持 圆形截面的形状， 为此模 型中我们约束环向位移。此外钢管底端需要约束轴 向位移， 钢管外表面施加均布外压力模拟夹层混凝土 的挤压作用。建立的有限元模型如图 1 所示。 2特征值屈 曲分 析 中空夹层混凝土柱中薄壁 内钢管线性屈 曲分析 的特征值方程为 ( [ ]+A [ K ] ) { }=0 ( 1 ) 式中， A为特征值 ； 为特征位移向量； [ ]为内 钢管的弹性刚度矩阵； [ K]为内钢管初应力矩阵。 图1 中空夹层混凝土柱中内钢管有 限元模型 特征值屈曲分析的特点是假定钢管发生微变形， 材料在弹性范围内呈线性变化 ， 所以计算速度快 ， 在 进行非线性稳定分析之前可利用其先 了解屈 曲的大 致形状 ， 可预测屈陆载荷的上限。本 文采用 A N S Y S有 限元 中 B l o c k L a n e z o s 方法 求解 了内钢管的前 3阶特 征值 ， 如表 1 所示 。 表 1 三种屈曲模态对应的屈曲临界荷载 3 非线性屈 曲分析 3 ． 1 大变形几何非线性 线性屈曲分析得到的屈 曲荷载， 可能过高估计结 构的整体稳定性 ， 为此需要进一步进行大位移几何非 线性整体稳定分析。为确定内钢管的整体稳定性 ， 对 内钢管开展全过程的几何非线性稳定分析是十分必 要的。本文采用 A N S Y S中的弧长法进行非线性分析。 采用弧长法进行非线性分析之后 ， 通过时间历程后处 理 可得内钢管跨中截面各个节点的荷载 一位移 曲 杨字 ： 中空夹层混凝土 内管屈 曲分析 7 3 线 ， 节点 2 2 8 2和 6 4 6 3为跨中截面的最大位移点， 得到 该 2点的荷载 一 位移关系曲线如图 2 所示。从图2中 可以看出， 位移最大的 2点是呈对称的。 位移／ ra m 图2 节点2 2 8 2 和6 4 6 3 的荷载一 位移关 系曲线 一 ( a 】 肪向的单元应力 ( b ) Y 方 向的单元应力 ( e ) z方向的单元应力 图3 单元应力云 图 3 ． 2 考虑几何和材料的双重非线性 考虑材料和几何的双重非线性分析可 以得到更 接近工程实际的结果 ， 材料 的本构关 系采用双线性 ， 屈服强度取为 2 3 5 MP a 。其它操作同3 ． 1 ， 得到的单元 应力 云图如 图 3所示 。 通过单元 的应 力 图 和数 据可 以看 出材 料 尚未达 到屈服强度 ， 一直处于弹性状态， 双重非线性分析结 果与仅考虑几何非线性 的分析结果基本 是一致 的。 可见在内钢管稳定分析中几何非线性 占主导作用。 4 中空夹层混凝土柱 中 内钢管抗失稳措施 由前面的分析我们可知， 内钢管失稳时 ， 材料没 有达到屈服， 材料本身的强度还有很大的利用空间， 只要滞后 内钢管的失稳 ， 就可充分发挥钢管的强度。 因此， 为保证中空夹层混凝土柱达到极限承载力， 不 会因内钢管失稳而发生提前破坏 ， 需要改善内钢管的 稳定性能， 可在容器的内部相隔一定的距离设置环向 肋和竖向肋。亦可在钢管内部相隔一定距离设置水 平内撑。对于直径和高度较大的中空夹层混凝土柱， 可采用钢板夹心混凝土中布置钢板， 钢板与内外钢管 焊接， 保证 内外钢管在达到极限承载力时均不发生 屈 曲。 5结语 ( 1 ) 在 内钢 管非 线 性稳定 分 析 中， 可采用 弧 长 法跟踪得到荷载 一位移全过程曲线。 ( 2 ) 验证了特征值屈曲荷载大于非线性屈曲得 到的临界荷载。 ( 3 ) 提出具有可操作性的中空夹层混凝土柱 中 钢管抗失稳 的措施 。 参考文献 [ 1 ] S c h i n d l e r S ，Z e m a n J L ． S t r e s s c o n c e n t r a t i o n f a c t o r s o f n o z z l e— s p h e r e c o n n e c t i o n s[ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f P r e s s u re V e s s e l s a n d Pipi n g ，2 0 0 3，8 0：8 7 —9 5 ． [ 2 ] 臧少锋， 钱才富．超大型真空容器非线性稳定分析[ J ] ．北京 化工大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 o 9 ， ( 3 6)5： 8 8—9 1 ． [ 3 ] 任国栋， 孔春元， 任秀玲．基于 A N S Y S的压力容器多变量优 化设计[ J ] ． 机械工程与自动化， 2 0 1 0 ， ( 1 ) ： 6 8 — 7 O ． [ 4 ] 胥晓东， 刘燕， 王威强 ． 压力容器的无量纲设计法及其应用 ( I I )[ J ] ．山东大学学报工学版， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 6 ) ： 1 0 1 — 1 0 4 ． [ 5 ] 丁昌， 汪荣顺 ．A N S Y S 在低温压力容器应力分析与优化设计 中的应用[ J ] ． 低温与超导， 2 0 o 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 4 5 5 — 4 5 7 ． [ 6 ] 郝文化 ． A N S Y S 土木工程应用实例[ M] ． 北京： 中国水利水电 出版社 。 2 0 0 5： 5 ． [ 收稿日期] 2 0 1 1 — 0 4 — 1 I [ 作者简介] 杨宇( 1 9 7 8 一) ， 男， 大庆人， 讲师， 博士， 主要从 事土木工程教学和科研工作。 H． gg． z 、 辎挺