方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲的有限元分析.pdf

l 38 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 7 - 0 1 3 8 - 0 2 方形钢管混凝 土轴压柱局部屈 曲的有 限元分析 ’ 龙跃 凌 ， 金 雪峰 ( 1 ．广东 工业 大学 土木工程 系 ， 广州5 1 0 0 0 6 ；2 ．广州住宅建设设计院 ， 广州5 1 0 0 5 5 ) 摘要 ： 分别建立方形空钢管柱和方形钢管混凝土柱的有限元分析模型， 并对两者进行屈 曲分析 。通过与 相关试验数据 以及理论计算结果比较 ， 发现有限元分析结果与试验数据吻合 良好， 表 明所采用的有限元 分析 模 型是 合理 的 ， 可 用于评估 方形 钢 管混凝 土柱钢 管壁 的屈 曲强度 。 关键词： 方形钢管混凝土 局部屈曲 有限元分析 屈曲强度 中图分类号 ： T U 3 9 2 ． 3 文献标 识码 ： A 方形钢管混凝土柱较圆形钢管混凝土柱具有钢管 制作方便 ， 与梁连接容易处理 ， 施工方便， 易于符合建 筑平面要求 ， 截面相对开展而惯性矩大 ， 适合作压弯构 件等优点 ， 在某些方面具有圆形钢管混凝土柱无法替 代的作用⋯。 要使方形钢管与内填混凝土力学特性充分发挥 ， 节省材料， 有必要对方形 钢管混凝土柱钢管壁进行合 理的局部屈曲分析。本文分别建立方形空钢管柱和方 形 钢管混 凝土 柱 的三维 有 限元 分 析 模 型 ， 对 两 者 进行 特 征值屈 曲分 析 。 1 有 限元模型建立 方形空钢管及方形钢管混凝土柱中的钢管均采用 8节 点 的 S o i l d 4 5单元 ， 混凝 土采用 8节 点 的 S o l i d 6 5 单元 。混凝 土泊松 比取 0 ． 2 ； 钢材 泊松 比取 0 ． 3 。在 本次分析中， 混凝土采用多线性随动强化混凝土模型， 混凝 土 破 坏 准 则 采 用 Wi l l i a m- Wa r n k e五 参 数 强 度 准 则 。钢材选用双线性随动强化模型。由于方形钢管混 凝土的钢管纵 向受压 、 横向受拉 的受力特点， 其屈服准 则采用 V o n Mi s e s 屈服准则。混凝土开裂裂缝剪力传 递系数和闭合裂缝剪力传递 系数分别取 0 ． 2和 0 ． 8 。 开裂后刚度折减系数取 0 ． 6 5 。 对方形空钢管柱 、 方形钢管混凝土柱分别 整体建 立有限元模型。其 中， 空钢管取宽度 b = 2 0 0 m m， 厚度 t =3 m r l l ， 长度 z =1 2 0 0 m m。柱 的上下端面均假定铰 收稿 日期 ． 2 0 1 0 -0 2 ． 1 1 ； 修回 日期： 2 0 1 0 -05 - 2 0 基 金项 目： 广东省 自然科学基金项 目资( 9 4 5 1 0 0 9 0 0 1 0 0 2 7 4 4 ) ； 广东工业大学博士基金( 0 8 3 0 6 1 ) 。 作者简介 ： 龙 跃凌( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 广东广州人 ， 讲师 ， 博 士。 接 ， 试件的有 限元模型单元划分示意如图 1 ( a ) 所示。 对于方形钢管混凝土柱， 按文献[ 3 ] 中试件 L B 1 、 L B 3 、 L B 5 、 L B 7 、 L B 9的实 际尺 寸 建 模 ， 具 体 尺 寸 见 表 1 。柱 身的上下端面均假定铰接， 试件 的有限元模 型单元划 分如图 1 ( b ) 所示。 ( b ) 方形钢管混凝 土柱 图 l 方形空钢管及方形钢管混凝土柱 的有 限元模型 表 1 方形钢管混凝土柱试件尺寸 注： 6为方形钢 管混凝土柱横截 面尺寸 ； 为方形钢管混凝土钢管壁 厚度 ； 为钢管的屈服强度 。 2 0 1 0年第 7期 方形 钢管混凝 土轴压柱局部屈 曲的有 限元分析 1 3 9 2屈 曲分析 基 于上 述建 立 的有 限元 模 型 ， 分 别 对 方 形 空 钢 管 柱 、 方形钢管混凝土柱进行 了特征值屈 曲分析。图 2 ( a ) 给出 了方形 空钢 管柱 在 屈 曲荷 载 时 的局 部 屈 曲模 。态 。 由图 2 ( a ) 可见 ， 试 件 在 达 到 临界 屈 曲荷 载 时 ， 钢 管壁既向内鼓起 ， 亦 向外鼓起 ， 其半波长约等于柱宽。 这 与文献 [ 4 - 5 ] 对方 形 空 钢 管柱 的屈 曲研 究结 果 相 吻 合。根据文献[ 4 — 5 ] ， 轴压作用下方形空钢管柱钢管壁 的局部屈曲强度 的理论计算公式为 0 ( ) ‘ ( ) 式中， E为钢管壁的弹性模量 ， 肛为泊松比。 上述理论计算公式的计算结果与有限元计算结果 十分接近 ， 说明了本文建立 的方形空钢管柱有限元模 型的正 确性 。 图 2 ( b )给出 了方形 钢管 混凝 土 柱 在屈 曲荷 载 时 的局部屈 曲模态。由图2 ( b ) 可见， 试件在达到屈曲荷 载时， 钢管壁只发生向外鼓起 ， 形成一个横 向半波及数 个纵向半波， 半波长约等于柱宽。根据文献 [ 6 ． 8 ] ， 轴 压作用下方形钢管混凝土柱钢管壁 的局部屈 曲强度 的理论计算公式为 o - 3 ( ) ‘ ( 2 ) ( a ) 方形空钢管柱 ( b )方形钢 管混凝土柱 图 2 方形空钢管柱及方形钢管混凝土柱的局部屈曲模态 表 2给出 了文 献 [ 3 ] 中方 形钢 管混 凝土试 件 L B 1 、 L B 3 、 L B 5 、 L B 7 、 L B 9钢 管 壁 屈 曲强 度 试 验 值 、 按 公 式 ( 2 ) 的理论计算值 、 有限元计算值 的比较。 由表 2可 见 ， 有限元计算值 比理论计算值更为接近试 验值 。说 明本文建立 的方形钢管混凝土柱有 限元模型是合理 的， 适用于评估方形钢管混凝土柱钢管壁屈曲强度。 表 2 方形钢管混凝土钢管壁屈 曲强度试验值 、 公式 ( 2 J 理论计算值 以及有 限元计算值 的比较 。z为方形钢管混凝土钢管壁屈曲强度试 验值 ； ， 。 为方形 钢管混 凝土钢管壁屈 曲强度理论计 算值 ； 方形钢 管混凝土钢 管壁屈 曲强 度有 限元计算值 。 3 结论 本文针对方形空钢管柱 、 方形钢管混凝 土柱分别 建立的有限元分析模 型， 对其钢管壁的屈曲强度进行 分析 ， 并与试验值 以及理论计算值相 比较 。研究表明， 有 限元计算值比理论计算值更为接近试验值， 说明本 文建立的方形钢管混凝土柱有 限元模型是合理 的， 适 用于评估方形钢管混凝土柱钢管壁屈曲强度。 参 考 文 献 [ 1 ] 龙跃凌 ， 蔡健 ． 带约束拉杆矩形钢管混凝土短柱偏压性能 的 试验研究 [ J ] ． 工业建 筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 1 0 ) ： 1 2 6 — 1 3 0 ， 7 1 ． [ 2 ] 江见鲸 ， 陆新 征 ， 叶列 平． 混凝 土结 构有 限元 分析 [ M] ． 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] u Y B ． L o c a l a n d p o s t — l o c a l b u c k l i n g o f c o n c r e t e — f i l l e d s t e e l w e l d e d b o x c o l u mn s[ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h 。 1 9 98， 47： 4 7- 72． [ 4 ] B L E I C H F ． B u c k l i n g s t r e n g t h o f m e t a l s t r u c t u r e s [ M] ． N e w Yo r k：McGr a w— Hi l l ， 1 9 5 2． [ 5 ] T I MO S H E N K O S P ， G E R E J M． T h e o r y o f e l a s t i c s t a b i l i t y ． 2 n d e d [ M] ． N e w Y o r k ： Mc G r a w — H i l l ， 1 9 6 1 ． [ 6 ] U Y B ， B R A D F O R D M A ． E l a s t i c l o c a l b u c k l i n g o f t h i n s t e e l p l a t e s i n c o m p o s i t e s t e e l c o n c r e t e m e m b e r s [J ] ．J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 1 9 9 6 ， 1 8 ( 3 ) ： 1 9 3 — 2 0 0 ． [ 7 ] u Y B ． S t r e n g t h o f c o n c r e t e — fi l l e d s t e e l b o x c o l u m n s i n c o r p o r a t i n g l o c a l b u c k l i n g [ J ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， AS C E， 2 0 0 0， 1 2 6( 3) ： 3 41 — 3 5 2 ． [ 8 ] u Y B ． S t r e n g t h o f c o n c r e t e — f i l l e d s t e e l b o x c o l u mn s i n c o r p o r a t i n g l o c a l b u c k l i n g[ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t ruc t i o n a l S t e e l Re s e a r c h， 2 0 0 1， 5 7 ( 2)： l 1 3 — 1 3 4． ( 责任 审编 白敏华)