方形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲的有限元分析

龍躍凌，金雪峰

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木工程系，廣州510006;2.廣州住宅建設(shè)設(shè)計院，廣州510055)

方形鋼管混凝土柱較圓形鋼管混凝土柱具有鋼管制作方便，與梁連接容易處理，施工方便，易于符合建筑平面要求，截面相對開展而慣性矩大，適合作壓彎構(gòu)件等優(yōu)點，在某些方面具有圓形鋼管混凝土柱無法替代的作用［1］。

要使方形鋼管與內(nèi)填混凝土力學(xué)特性充分發(fā)揮，節(jié)省材料，有必要對方形鋼管混凝土柱鋼管壁進行合理的局部屈曲分析。本文分別建立方形空鋼管柱和方形鋼管混凝土柱的三維有限元分析模型，對兩者進行特征值屈曲分析。

1 有限元模型建立

方形空鋼管及方形鋼管混凝土柱中的鋼管均采用8節(jié)點的Soild45單元［2］，混凝土采用8節(jié)點的 Solid65單元［2］?；炷敛此杀热?.2;鋼材泊松比取0.3。在本次分析中，混凝土采用多線性隨動強化混凝土模型，混凝土破壞準則采用William-Warnke五參數(shù)強度準則。鋼材選用雙線性隨動強化模型。由于方形鋼管混凝土的鋼管縱向受壓、橫向受拉的受力特點，其屈服準則采用Von Mises屈服準則?；炷灵_裂裂縫剪力傳遞系數(shù)和閉合裂縫剪力傳遞系數(shù)分別取0.2和0.8。開裂后剛度折減系數(shù)取0.65。

對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱分別整體建立有限元模型。其中，空鋼管取寬度b=200 mm，厚度t=3 mm，長度l=1 200 mm。柱的上下端面均假定鉸接，試件的有限元模型單元劃分示意如圖1(a)所示。對于方形鋼管混凝土柱，按文獻［3］中試件 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9的實際尺寸建模，具體尺寸見表1。柱身的上下端面均假定鉸接，試件的有限元模型單元劃分如圖1(b)所示。

圖1 方形空鋼管及方形鋼管混凝土柱的有限元模型

表1 方形鋼管混凝土柱試件尺寸

2 屈曲分析

基于上述建立的有限元模型，分別對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱進行了特征值屈曲分析。圖2(a)給出了方形空鋼管柱在屈曲荷載時的局部屈曲模態(tài)。由圖2(a)可見，試件在達到臨界屈曲荷載時，鋼管壁既向內(nèi)鼓起，亦向外鼓起，其半波長約等于柱寬。這與文獻［4-5］對方形空鋼管柱的屈曲研究結(jié)果相吻合。根據(jù)文獻［4-5］，軸壓作用下方形空鋼管柱鋼管壁的局部屈曲強度σcr的理論計算公式為

式中，E為鋼管壁的彈性模量，μ為泊松比。

上述理論計算公式的計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果十分接近，說明了本文建立的方形空鋼管柱有限元模型的正確性。

圖2(b)給出了方形鋼管混凝土柱在屈曲荷載時的局部屈曲模態(tài)。由圖2(b)可見，試件在達到屈曲荷載時，鋼管壁只發(fā)生向外鼓起，形成一個橫向半波及數(shù)個縱向半波，半波長約等于柱寬。根據(jù)文獻［6-8］，軸壓作用下方形鋼管混凝土柱鋼管壁的局部屈曲強度σcr的理論計算公式為

圖2 方形空鋼管柱及方形鋼管混凝土柱的局部屈曲模態(tài)

表2給出了文獻［3］中方形鋼管混凝土試件 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9鋼管壁屈曲強度試驗值、按公式(2)的理論計算值、有限元計算值的比較。由表2可見，有限元計算值比理論計算值更為接近試驗值。說明本文建立的方形鋼管混凝土柱有限元模型是合理的，適用于評估方形鋼管混凝土柱鋼管壁屈曲強度。

表2 方形鋼管混凝土鋼管壁屈曲強度試驗值、公式(2)理論計算值以及有限元計算值的比較

3 結(jié)論

本文針對方形空鋼管柱、方形鋼管混凝土柱分別建立的有限元分析模型，對其鋼管壁的屈曲強度進行分析，并與試驗值以及理論計算值相比較。研究表明，有限元計算值比理論計算值更為接近試驗值，說明本文建立的方形鋼管混凝土柱有限元模型是合理的，適用于評估方形鋼管混凝土柱鋼管壁屈曲強度。

［1］龍躍凌，蔡健.帶約束拉桿矩形鋼管混凝土短柱偏壓性能的試驗研究［J］.工業(yè)建筑，2009，39(10):126-130，71.

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