钢管混凝土梁柱节点域轴压非线性屈曲分析

李成玉 郭耀杰

(1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉 430070;2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉 430072)

1 概述

钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成的结构构件，钢管及其核心混凝土能共同承受外荷载作用。利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用来充分发挥两种材料的优点，不仅使混凝土的塑性和韧性性能大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲。

轴向压力作用下的局部屈曲是钢管结构的主要破坏形式之一，近年来，不少学者对圆钢管混凝土柱的屈曲等问题进行了理论分析和试验研究，取得了很多成果[1，2]。钢管混凝土节点域既受到柱的轴心压力，又要承受梁作用的弯矩和剪力，必然存在屈曲现象，但如果直接套用钢管结构节点的屈曲分析结论，不考虑混凝土的帮衬作用，则又过于保守。

研究认为，对轴压圆柱壳屈曲影响最大的因素当属壳体中存在的初始几何缺陷，即壳体的初始缺陷敏感性。用非线性有限元进行圆柱壳非线性屈曲分析的前提是必须对模型施加初始扰动，亦即施加初始几何缺陷。

在对钢管混凝土框架节点域进行非线性屈曲分析时，首先在梁端施加荷载，由于梁根部受弯转动，势必带动钢管壁面外的变形，从而实现了钢管柱的初始缺陷的施加;然后在柱顶施加轴向荷载，就可以完成节点域钢管屈曲分析。

2 外加强环式节点轴压屈曲分析

图1a)是梁根部弯矩为0.5mPa(第一工况)的轴压屈曲变形图，在梁根部弯矩达到规定值时，在节点域柱壁上产生的最大面外变形为0.22mm。然后施加柱顶轴压，当达到轴压极限值时，在节点域并没有产生明显的变形，反倒是不在节点域的柱壁产生了鼓胀变形(见图1b))，表明在梁端荷载较小情况下，节点域的套箍作用明显，不会出现节点域的屈曲。

梁根部弯矩达到1.0mPa时(第二工况)，节点域柱壁最大面外变形为0.45mm，是第一种工况的2倍，但绝对值也仅有0.23mm。

在进行轴压加载后(第三工况)，则在节点域产生了明显的屈曲，而且尤以下环根部处柱壁更为突出(见图1c))，第三种工况产生的节点域柱壁初始面外变形值为0.89mm，轴压作用在上环根部和下环根部的柱壁上均出现了明显的屈服。

进一步分析工况中轴压与构件变形的关系曲线，图2是轴压比与柱的轴向变形的关系曲线，当轴压比达到1时，柱的轴向压缩变形量显著增加，这是可以预料的。图3是轴压比与节点域柱壁面外变形关系曲线，该曲线大致呈三段变化，当轴压比小于0.6之前，柱壁面外变形几乎没有变化，而轴压比超过0.6以后，柱壁面外变形开始明显增加，当轴压比超过1.0以后，柱壁面外变形显著增加。巧合的是，在进行轴压比对节点抗弯刚度影响分析时[3]，得到的规律也是当轴压比超过0.5之后，节点刚度明显降低。

节点的轴压屈曲和抗弯变形，从本质上讲是一样的，考察的对象都是节点域柱壁的面外变形。由于本文有限元分析中，没有考虑构件的初始缺陷、焊缝以及焊缝产生的残余应力等因素，因此，本文得到的值应该偏小。

3 结语

通过对钢管混凝土外加强环式节点的有限元分析，得到了节点域在梁端弯曲荷载和轴向压力作用下的屈曲现象。指出当轴压比超过0.6后，外加强环式节点有屈曲现象发生，这一现象和作者以前的相关研究结果具有一致性。因此节点域的局部屈曲现象在设计中应得到足够的重视。

[1]张耀春，曹宝珠.轴心受压薄壁圆钢管混凝土柱临界径厚比的确定[J].工程力学，2005，22(1):170-174.

[2]张凯宁.圆形钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲变形[J].科学技术与工程，2005，22(1):170-174.

[3]李成玉，郭耀杰.钢管混凝土框架结构加强环式节点刚度研究[A].中国钢—混凝土组合结构协会第十次年会论文集[C].2005:338.