圓端形鋼管混凝土柱的局部穩(wěn)定性研究

陳家春

(福建省建筑輕紡設(shè)計(jì)院 福建福州 350001)

0 引言

圓端形鋼管混凝土柱基于具有截面靈活和外表美觀的優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于實(shí)際工程。文獻(xiàn)[1-3]對RCFST軸壓性能和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，并建議其承載力的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4-8]對偏壓荷載下的RCFST進(jìn)行力學(xué)性能分析，并建議偏壓下的該類組合柱承載力。此外，文獻(xiàn)[9][10]分別研究了圓端形鋼管混凝土構(gòu)件的壓彎、受彎力學(xué)性能。但是與圓端形鋼管混凝土的局部穩(wěn)定相關(guān)研究尚鮮見報(bào)道。圓端形鋼管截面的平直段部分容易產(chǎn)生局部屈曲，寬厚比較大時其承載力較低。

鑒于此，本文擬基于有限元模型探究初始缺陷模態(tài)、寬厚比、鋼材強(qiáng)度等參數(shù)對圓端形鋼管混凝土柱的局部穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并基于參數(shù)分析提出該類組合柱跨中截面平直段鋼管的承載力簡化計(jì)算式。

1 有限元模型

圓端型鋼管混凝土樁截面形狀如圖1所示。

圖1 圓端形鋼管混凝土柱截面

1.1 模型參數(shù)

本文采用有限元軟件ABAQUS開展機(jī)理分析，鋼材本構(gòu)模型采用文獻(xiàn)[11]建議的二次塑流模型，如式(1)所示：

(1)

混凝土采用文獻(xiàn)[12]建議的模型如式(2)，其中相關(guān)參數(shù)詳見文獻(xiàn)[12]。

有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

混凝土采用實(shí)體單元C3D8R，鋼管采用殼單元S4R?；炷僚c鋼管的法向接觸行為采用“硬接觸”進(jìn)行模擬，允許接觸后分離。切向行為采用“庫倫摩擦”模型模擬，摩擦系數(shù)取0.6。主面為混凝土外表面，從面為鋼管內(nèi)表面。柱下端面完全固定，上端面約束除軸向位移外的所有自由度，在上端面進(jìn)行位移加載。缺陷模態(tài)采用ABAQUS中BUCKLING分析獲得。初始缺陷最大值取為鋼管平直段寬度的1/100[13-14]。

1.2 模型驗(yàn)證

使用圖2所示有限元模型模擬文獻(xiàn)[2]中的RCFST-4與文獻(xiàn)[9]中的CFRT1-0a，其試驗(yàn)曲線與有限元模擬曲線對比如圖3～圖4所示。由圖3～圖4可見，數(shù)值模擬的吻合程度較好，因而本文的有限元模型可以用來模擬圓端形混凝土柱軸壓試驗(yàn)全過程。

圖3 RCFST-4[2]

圖4 CFRT1-0a[9]

2 機(jī)理分析

為進(jìn)一步探討初始幾何缺陷對圓端形鋼管混凝土柱中鋼管局部穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文對典型構(gòu)件開展參數(shù)分析。本文分析主要考慮3個參數(shù)：初始缺陷形式、寬厚比、鋼材強(qiáng)度。其中，寬厚比參數(shù)與對應(yīng)的空鋼管RST進(jìn)行對照。所有構(gòu)件列于表1中，其混凝土強(qiáng)度統(tǒng)一采用C60，試件編號中RCFST和RST，分別代表鋼管混凝土組合柱和空鋼管，fy為鋼材屈服強(qiáng)度。

表1 構(gòu)件尺寸一覽表

圖5所示的是RCFST50-345、RCFST50-345b和RCFST50-345c三根構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)承載力時，組合柱跨中截面平直段鋼管的應(yīng)力比(σs/σs0，σs和σs0分別為考慮初始缺陷和不考慮初始缺陷時平直段鋼管的平均應(yīng)力)。從圖5看出，考慮一階、二階、三階屈曲模態(tài)作為鋼管的初始缺陷后平直段鋼管的承載力分別下降了31.8%、24.7%和27.5%，這說明一階模態(tài)的影響最大。因此，后文的分析統(tǒng)一采用一階模態(tài)作為鋼管的初始缺陷。

圖5 不同屈曲模態(tài)對承載力影響

2.1 不同缺陷模態(tài)的影響

圖6給出了表1中典型構(gòu)件RCFST50-345的前三階屈曲模態(tài)，一階為對稱的5個半波，二階為反對稱的5個半波，三階為對稱的4個半波。

2.2 寬厚比的影響

圖7給出了不同鋼管平直段寬厚比(b/t，b和t分別為平直段鋼管的寬度和厚度)對鋼管混凝土組合柱RCFST和空鋼管RST的平直段鋼管的應(yīng)力比(σs/σs0)的影響規(guī)律。由圖7可見：對于空鋼管對比構(gòu)件，平直段鋼管的平均應(yīng)力隨著寬厚比的增大而減少；當(dāng)寬厚比由10增大到90時，σs/σs0由0.992下降到0.281；當(dāng)寬厚比小于10時，可以不考慮初始缺陷的影響；對于鋼管混凝土組合柱，初始缺陷的影響規(guī)律相似。但是，由于填充了混凝土，鋼管平均應(yīng)力的下降幅度遠(yuǎn)小于空鋼管，平直段鋼管的局部穩(wěn)定性得到顯著提高，當(dāng)寬厚比小于20時可不考慮初始缺陷的影響，因此設(shè)計(jì)時可將20t取作鋼管平直段的有效寬度。

(a)一階

圖7 不同寬厚比對承載力影響

2.3 鋼材屈服強(qiáng)度(fy)

圖8給出了鋼管屈服強(qiáng)度對該類組合柱的平直段鋼管的應(yīng)力比(σs/σs0)的影響規(guī)律，可見鋼材屈服強(qiáng)度(fy)對σs/σs0的影響較小，相差不超過5%。

圖8 不同鋼材對承載力影響

3 簡化計(jì)算

在不考慮初始缺陷的情況下，由有限元模擬結(jié)果容易發(fā)現(xiàn)，平直段鋼管承載力與截面承載力呈線性相關(guān)，經(jīng)數(shù)值擬合后得平直段鋼管承載力簡化計(jì)算式，如式(3)所示，公式的適用范圍為b/t=20-90。

Npz=2×0.88fybt

(3)

如圖9所示，該計(jì)算式吻合程度良好。

基于上述分析，可在不考慮缺陷的平直段鋼管承載力的基礎(chǔ)上，用折減系數(shù)φ得出考慮初始缺陷時平直段鋼管的承載力簡化計(jì)算式：

Npzi=2×0.88φfybt

(4)

其中，強(qiáng)度折減系數(shù)φ采用式(5)計(jì)算：

圖10給出了簡化計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果的比較。由圖10可見，平均值和均方差分別為0.981和0.026，因此，該簡化計(jì)算模型可用于計(jì)算平直段鋼管的承載力。

圖10 Npzi簡化計(jì)算結(jié)果和有限元計(jì)算結(jié)果的對比

此外，還可偏于保守地取平直段鋼管的有效寬度為20t。

4 結(jié)論

(1)基于缺陷模態(tài)參數(shù)分析，由BUCKLING分析中的前3階屈曲模態(tài)作為初始缺陷導(dǎo)入軸壓力學(xué)分析中，發(fā)現(xiàn)考慮該類初始缺陷影響后平直段鋼管穩(wěn)定性均有明顯的影響，且1階模態(tài)的影響最大。

(2)基于鋼材強(qiáng)度的參數(shù)分析，可知鋼材對平直段鋼管的局部穩(wěn)定性影響較小，對于Q235、Q345、Q390、Q420四種工程常用鋼材，影響不超過5%。

(3)因鋼管內(nèi)的混凝土對鋼管變形存在約束，鋼管混凝土柱平直段鋼管的局部穩(wěn)定性要優(yōu)于空鋼管，其考慮缺陷的平直段鋼管承載力均高于同寬厚比的空鋼管。

(4)鋼管混凝土柱平直段鋼管的承載力，隨著寬厚比的增大而增大，鋼管混凝土柱寬厚比小于20時，平直段鋼管穩(wěn)定性幾乎不再受到影響，而空鋼管寬厚比則要小于10。因此，設(shè)計(jì)時可將20t取做鋼管平直段的有效寬度。

(5)建議平直段鋼管承載力的簡化計(jì)算式，簡化計(jì)算結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合較好，且偏于安全，建議使用。