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510006;2.广州住宅建设设计院，广州510055)

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［1］。

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Soild45单元［2］，混凝土采用8节点的 Solid65单元［2］。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William-Warnke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Von Mises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0.65。

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=200 mm，厚度t=3 mm，长度l=1 200 mm。柱的上下端面均假定铰接，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 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9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。

图1 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

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σcr的理论计算公式为

式中，E为钢管壁的弹性模量，μ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σcr的理论计算公式为

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 LB1、LB3、LB5、LB7、LB9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)理论计算值以及有限元计算值的比较

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。

［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，2009，39(10):126-130，71.

［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，2004.

［3］UY B.Local and post-local buckling of concrete-filled steel welded box columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，1998，47:47-72.

［4］BLEICH F.Buckling strength of metal structures［M］.New York:McGraw-Hill，1952.

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［6］UY B，BRADFORD M A.Elastic local buckling of thin steel plates in composite steel-concrete members ［J］.Journal of Constructional Steel Research，1996，18(3):193-200.

［7］UY B.Strength ofconcrete - filled steelbox columns incorporating local buckling［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，2000，126(3):341-352.

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