鋼管混凝土梁柱節(jié)點域軸壓非線性屈曲分析

李成玉 郭耀杰

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430070;2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

1 概述

鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼管及其核心混凝土能共同承受外荷載作用。利用鋼管和混凝土兩種材料在受力過程中的相互作用來充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點，不僅使混凝土的塑性和韌性性能大為改善，而且可以避免或延緩鋼管發(fā)生局部屈曲。

軸向壓力作用下的局部屈曲是鋼管結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一，近年來，不少學(xué)者對圓鋼管混凝土柱的屈曲等問題進行了理論分析和試驗研究，取得了很多成果[1，2]。鋼管混凝土節(jié)點域既受到柱的軸心壓力，又要承受梁作用的彎矩和剪力，必然存在屈曲現(xiàn)象，但如果直接套用鋼管結(jié)構(gòu)節(jié)點的屈曲分析結(jié)論，不考慮混凝土的幫襯作用，則又過于保守。

研究認(rèn)為，對軸壓圓柱殼屈曲影響最大的因素當(dāng)屬殼體中存在的初始幾何缺陷，即殼體的初始缺陷敏感性。用非線性有限元進行圓柱殼非線性屈曲分析的前提是必須對模型施加初始擾動，亦即施加初始幾何缺陷。

在對鋼管混凝土框架節(jié)點域進行非線性屈曲分析時，首先在梁端施加荷載，由于梁根部受彎轉(zhuǎn)動，勢必帶動鋼管壁面外的變形，從而實現(xiàn)了鋼管柱的初始缺陷的施加;然后在柱頂施加軸向荷載，就可以完成節(jié)點域鋼管屈曲分析。

2 外加強環(huán)式節(jié)點軸壓屈曲分析

圖1a)是梁根部彎矩為0.5mPa(第一工況)的軸壓屈曲變形圖，在梁根部彎矩達到規(guī)定值時，在節(jié)點域柱壁上產(chǎn)生的最大面外變形為0.22mm。然后施加柱頂軸壓，當(dāng)達到軸壓極限值時，在節(jié)點域并沒有產(chǎn)生明顯的變形，反倒是不在節(jié)點域的柱壁產(chǎn)生了鼓脹變形(見圖1b))，表明在梁端荷載較小情況下，節(jié)點域的套箍作用明顯，不會出現(xiàn)節(jié)點域的屈曲。

梁根部彎矩達到1.0mPa時(第二工況)，節(jié)點域柱壁最大面外變形為0.45mm，是第一種工況的2倍，但絕對值也僅有0.23mm。

在進行軸壓加載后(第三工況)，則在節(jié)點域產(chǎn)生了明顯的屈曲，而且尤以下環(huán)根部處柱壁更為突出(見圖1c))，第三種工況產(chǎn)生的節(jié)點域柱壁初始面外變形值為0.89mm，軸壓作用在上環(huán)根部和下環(huán)根部的柱壁上均出現(xiàn)了明顯的屈服。

進一步分析工況中軸壓與構(gòu)件變形的關(guān)系曲線，圖2是軸壓比與柱的軸向變形的關(guān)系曲線，當(dāng)軸壓比達到1時，柱的軸向壓縮變形量顯著增加，這是可以預(yù)料的。圖3是軸壓比與節(jié)點域柱壁面外變形關(guān)系曲線，該曲線大致呈三段變化，當(dāng)軸壓比小于0.6之前，柱壁面外變形幾乎沒有變化，而軸壓比超過0.6以后，柱壁面外變形開始明顯增加，當(dāng)軸壓比超過1.0以后，柱壁面外變形顯著增加。巧合的是，在進行軸壓比對節(jié)點抗彎剛度影響分析時[3]，得到的規(guī)律也是當(dāng)軸壓比超過0.5之后，節(jié)點剛度明顯降低。

節(jié)點的軸壓屈曲和抗彎變形，從本質(zhì)上講是一樣的，考察的對象都是節(jié)點域柱壁的面外變形。由于本文有限元分析中，沒有考慮構(gòu)件的初始缺陷、焊縫以及焊縫產(chǎn)生的殘余應(yīng)力等因素，因此，本文得到的值應(yīng)該偏小。

3 結(jié)語

通過對鋼管混凝土外加強環(huán)式節(jié)點的有限元分析，得到了節(jié)點域在梁端彎曲荷載和軸向壓力作用下的屈曲現(xiàn)象。指出當(dāng)軸壓比超過0.6后，外加強環(huán)式節(jié)點有屈曲現(xiàn)象發(fā)生，這一現(xiàn)象和作者以前的相關(guān)研究結(jié)果具有一致性。因此節(jié)點域的局部屈曲現(xiàn)象在設(shè)計中應(yīng)得到足夠的重視。

[1]張耀春，曹寶珠.軸心受壓薄壁圓鋼管混凝土柱臨界徑厚比的確定[J].工程力學(xué)，2005，22(1):170-174.

[2]張凱寧.圓形鋼管混凝土柱在軸壓下的局部屈曲變形[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2005，22(1):170-174.

[3]李成玉，郭耀杰.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)加強環(huán)式節(jié)點剛度研究[A].中國鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會第十次年會論文集[C].2005:338.