矩形钢管混凝土柱在轴压下局部屈曲研究

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1、矩形钢管混凝土柱在轴压下局部屈曲研究　　摘要：假设核心混凝土为刚性，矩形钢管混凝土柱的钢管板件在非加载边受到弹性约束而确定出钢管壁板的局部屈曲模型。为了推导出方钢管混凝土柱在轴压下钢管管壁的局部屈曲临界应力，我们采用了能量法。通过计算能够充分表明，核心混凝土能够有效的提高钢管管壁抵抗局部屈曲的能力。关键词：矩形钢管混凝土；局部屈曲；瑞利-里兹法中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）05-0100-030引言5钢管混凝土就是将混凝土填充到钢管中，让钢管和核心混凝土一起承受外力的结构构件[1]。通过钢管和混凝土两种材料互补以充分发挥两种材料的优点承受荷载，不

2、仅能够大大提高混凝土的塑性和韧性，还能对钢管局部发生的屈曲进行很好的延缓[2]。矩形钢管混凝土多应用于多层或高层的民用建筑，这是由于其节点具有构造简单、连接方便以及抗弯性能好等优点。在轴向压力下产生的局部屈曲是破坏钢管混凝土结构的主要形式之一。钢管内混凝土受到矩形钢管角部很强的约束作用，从而提高了管内混凝土的轴向抗压强度。此外，对于钢管发生的内凹局部屈曲，管内混凝土具有一定的延缓作用。近些年来，澳大利亚的B.Uy[3-4]，西安建筑科技大学的何保康[5]等人，华南理工大学的蔡健[6]等人以及福州大学的韩林海[7]等人在研究分析钢管混凝土的局部屈曲等问题上取得了一定的成果。其中，蔡健等人将纵向

3、位移函数建设为幂函数，对带约束拉杆矩形的钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能进行了相关研究。本文在推导轴压下矩形钢管混凝土柱的钢管壁局部临界屈曲应力计算公式的时候，假设横向位移为三角函数形式且应用了瑞利-里兹法。1建立力学模型假定：①钢管内的混凝土是刚性材料，因此，管内混凝土在钢管发生局部屈曲时其变形只能外凸，不能内凹。由于板件长度相对宽度大很多，因此，钢管发生屈曲时，钢板只考虑一个波形，如图1所示，纵向则会出现图2一系列连续波状凸起的变形。②如图3所示，混凝土刚性基底上钢管壁作为固定边进行两边加载，矩形钢板的两个非加载边看成可转动的弹性约束边。此外，还应考虑相邻板件和填充混凝土对约束的影响。对纵向

4、一个波（波形长为a）进行研究，对于假定的边界条件：5图4为常用钢管弹性模量E=206GPa，泊松比？滋=2.5，钢管壁板的屈曲应力？滓cr与钢管宽厚比b/t的关系曲线图。从图中可以看出，屈曲应力随着钢管宽厚比的增大而逐渐减小。屈曲应力？滓cr与非加载边的弹性约束系数？字的曲线关系如图5所示，其中，取E=206Gpa，？滋=2.5，b/t=150，根据图我们看出，固定约束的临界应力大于简支的。对于非加载边界的弹性约束系数而言，局部屈曲的临界应力不具有单调性，而是在某一弹性约束时达到最大。由于非加载边的弹性约束系数不同时，轴向屈曲波形长度也不同，从而这一点与钢板整体屈曲不同。对非加载边分别按简支

5、和固支的无侧向约束板的临界屈曲系数为3.91和6.86；因此，填充混凝土的钢管局部临界屈曲系数对应于上述两种情况分别提高了35.5%和52.5%。3结论本文在分析轴压下矩形钢管混凝土柱的钢管板壁的局部屈曲时采用了瑞利-里兹法，此法除了假设矩形钢板的两非加载边的约束是可转动的弹性约束边外，还假设横向位移函数为三角函数。通过计算结果可看出，由于钢管内存在混凝土，不仅能够大大提高管壁抵抗局部屈曲的能量，更使得局部屈曲的临界荷载不随约束的增强而单调变化。参考文献：[1]韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.5[2]金雪峰.带约束拉杆方形钢管混凝土轴压柱局部

6、屈曲性能研究[D].广州：华南理工大学，2005.[3]UYB.Localandpost-localbucklingofconcrete-filledsteelweldedboxcolumns[J].JournalofConstructionalSteelResearch，1998，47（1-2）：47-72.[4]SHANMUGAMNE，LAKSHMIB，UYB.Ananalyticalmodelforthin-walledsteelboxcolumnswithconcretein-fill[J].EngineeringStructures，2002，24：825-838.[5]何保康，杨

7、晓冰，周天华.矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的解析分析[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2002，34（3）：210-213.[6]蔡健，何振强，金雪峰.带约束拉杆方形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能[J].工程力学，2007，24（5）：169-175.[7]TAOZhong，HANLinhai，WANGZhibin.Experimentalbehaviourofstiffenedconcrete-f