薄壁型钢管混凝土管状梁柱中钢板的屈曲.docx

建筑钢结构研究杂志薄壁型钢管混凝土管状梁柱中钢板的屈曲梁清泉a,布莱恩 乌伊b, J.Y. 理查德 刘易斯设计和研究的学院，澳大利亚，昆士兰4350，图文巴，南昆士兰大学澳大利亚，新南威尔士州2522，卧龙岗，卧龙岗大学，土木工程学院，采矿与环境工程， 新加坡，新加坡117576，新加坡国立大学，土木工程系在2005年10月19日收到;在 2006年5月26日接受摘要：高强钢和混凝土的应用，使得薄钢板开始应用在填充混凝土的钢管梁柱中。然而，在组合梁柱中薄钢板的应用可能会增加局部屈曲，这将减弱这些构件的强度和延性性能。通过有限元分析方法，分析了在填充混凝土的薄壁钢管梁柱中钢板的临界局部屈曲和局部屈曲后性能。运用几何和材料非线性分析来研究在压力和平面内弯曲作用下钢板中的临界局部和后张局部屈曲强度。非线性分析中考虑了钢板的初始几何缺陷和残余应力，材料屈服和应变硬化。基于非线性有限元分析结果，本文提出一组设计公式，以确定这种组合梁柱的临界局部屈曲和钢板的极限强度。此外，还提出在不均匀压力作用下，钢板极限强度设计中有效宽度的计算公式。这一组设计公式可以直接用于组合梁柱的设计和考虑局部屈曲作用后的薄壁钢管混凝土梁柱分析。关键词：有效宽度，有限元分析，局部屈曲，局部屈曲后性能，钢板，强度1介绍钢管混凝土薄壁钢管束柱是有效的结构构件，已经在高层建筑、桥、海上结构被广泛使用。一个钢管混凝土梁柱建造成正方形或长方形钢铁管柱，并在里填充混凝土，就如图1中描绘的。在混凝土钢管混凝土梁柱中，压力作用下的钢板受混凝土核心的限制，只能向外产生局部弯曲。这屈曲模式导致了在钢箱梁以及复合荷载临界的局部屈曲强度的大幅度增加。钢箱梁完全包绕了混凝土的核心以至于包裹的混凝土的延性被大大的加强。钢板也可以作为纵向钢管和混凝土核心的永久性框架，这能够快速建设和节省大量的材料。这种类型的复合柱能提供优良的结构性能，如高强度，高韧性和大量的能量吸收能力。 高强度结构钢和高强度混凝土的可用性导致一些板薄的钢管混凝土在梁，柱的使用。然而，这提高了对在压力作用下和面内弯曲作用下的局部的不稳定问题的关注，这可能会在混凝土钢管混凝土梁，柱遇到。有初始几何缺陷和焊接残余应力薄钢板的局部弯曲会导致强度和韧性的明显减少。由压缩和面内弯曲决定的板的局部稳定已经成为一个研究热点很多年了。沃克研究偏心荷载下的地板的屈曲性能，是用辽金的方法来解决非线性的同时微分方程的问题。罗德岛和哈维【2】研究的是在平板上的局部和局部扭曲后行为的偏心荷载的影响，这些平板由受荷边缘的支撑，承受各种空载的边缘条件，罗兹等人【3】发表了在变化的线性位移下最初的不完善的板受荷能力的研究结果。宇佐美【4，5】用能量分析法和非线性有限元分析法来研究受支撑的受压和受弯钢板的后局部的屈曲强度，为预测钢板的极限弯曲强度提出有效的宽度公式。娜拉亚男和陈【6】对受变化的线性位移含板孔的弹性局部弯曲和后局部屈曲强度进行了分析和研究。山姆更等人对包括在压缩和面内弯曲作用下的局部屈曲简支钢板薄壁钢箱的极限荷载进行了研究。应当指出在以上提出的研究中，板被允许在两个方向上弯曲。 与混凝土接触的钢板被限制着仅向着一个方向弯曲当受到边缘压力的影响的时候。这种一个方向的钢板的弯曲已经引起了研究学者的兴趣。葛和佐宇美【8】关于短钢管混凝土梁柱进行非线性有限元分析，并提出了在均匀压力下的钢板最终的强度计算公式。怀特【9,10】用能量方法和研究与混凝土接触的薄壁钢板的屈曲特性，并得出与混凝土接触的配料钢板接触的宽厚比的极限。局部屈曲作用下的薄壁钢管混凝土钢箱梁柱极限负载性能已经由乌伊和布拉德福德【11】，卜来杰【12】等人进行试验研究。刘易斯【13】，乌伊和梁【14】用有限元研究在轴向压力的作用下的钢管混凝土箱梁中的钢板的局部和后局部屈曲性能，并为横梁中的极限钢板强度的设计拟议有效宽度公式。梁【15】等人已经将纤维分析方案纳入这些有效公式，并用于先进的钢管混凝土薄壁钢箱梁柱考虑局部屈曲作用分析。除此以外，梁等人【16,17】为双轴压缩和剪切下双层复合板中的钢板的设计提出屈曲和极限强度相互作用公式。 然而，大多数文献中报告的关于混凝土中的钢板的局部屈曲的研究在统一的边缘压缩钢板受关注。薄壁型钢管混凝土梁，柱中的在非均匀压缩和面内弯曲下的局部和后局部屈曲行为钢板在文献中尚未被报告。本文前面提到在非均匀压缩和面内弯曲工作延伸14钢板。几何和材料非线性有限元分析进行预测在非均匀压缩和面内弯曲下的局部和扭曲后的局部钢板单向的临界强度。基于非线性有限元分析得到的结果，一套设计公式被提出适用于计算钢管混凝土箱梁列量化钢板局部屈曲和最终临界强度。除此以外，有效宽度公式用于在非均匀压缩下钳位钢板的极限强度预测。拟议的设计公式在文献中对现有的设计公式进行了审查。2有限元分析2.1总有限元程序STRAND7【18】被用于现有的研究中来研究薄壁型钢管混凝土梁柱钢板的临界局部屈曲强度和局部屈曲后强度。混凝土钢管混凝土梁柱的一个网络或边缘的四个边缘假设被夹住，由于混凝土核心提供的约束，如梁和乌伊假设的一样【14】。方形钢板在四个边缘被焊住屈服于最低的局部屈曲载荷，所以他们用来表示混凝土填充薄壁管状梁柱的法兰盘和腹板的强度。有初始缺陷钢板的几何和材料非线性分析在研究中。von Mises屈服准则在非线性分析中被用来分析钢板材料的可塑性。八节点四边形板/壳元素在所有分析中被用到。1010的网格被用于所有分析，并被认为是经济和足以产生准确的结果，在工程实践中使用。2.2初始缺陷钢板的初始缺陷由最初的平面变形和残余应力组成，这通常是建设和焊接过程导致的。初始缺陷将大大降低钢板的强度和刚度。初始几何缺陷和残余应力轴向压缩下的钢管混凝土箱型柱局部屈曲钢板强度的影响已经由梁和乌伊报道【14】。在本研究中，初始面内变形的形式被当做第一个局部屈曲模式，能产生最小的屈曲荷载。初始几何缺陷在板中心最大震级为W0=0.1吨钢板混凝土钢管混凝土梁，柱。一个横向的压力会引起初始面内偏转板【14】。在焊接钢板，残余拉应力在焊缝区域发展，而残余压应力在其余板块中。据悉，在焊接板的横截面中，残余压应力由到达屈服强度的残余压应力来平衡。在混凝土填充的焊接钢管束柱中理想化的残余应力模式如图2所示。在本研究中，残余压应力占钢板的屈服强度的25。残余应力在有限元模型中被纳入预应力中。2.3钢板应变与应力的关系残余应力对焊接钢板的应力-应变曲影响很大，这是由梁和乌伊【14】讨论得到的。焊接钢板从不同的无残余应力的拉伸试验中得到一个圆形的应力-应变形式。在本研究中，有残余压应力的钢板圆形压力曲线是根据RambergOsgood公式计算出来的，这个公式表达式是=/E1+3/7(/0.7)n (1)这里和分别代表单轴应力和应变，E代表杨氏模量，0.7相应于E0.7=0.7E，n是定义应力-应变曲线清晰度的关键因素。关键因素n=25在式（1）中被使用来考虑钢板【14-17】各向同性应变硬化。由于钢结构应力和应变证据通常是知道的，0.7可以由他们带入式（1）。0.2的极限应变是在低碳钢的非线性分析中被假定的。3.在边缘压力下的钢板在如图3所示，本节被研究的是变化的压应力作用下的钢板的局部和局部扭曲后临界性能。应力梯度系数被定义为最低边缘应力和最大边缘应力的比值。应力梯度系数从0.0到0.2，0.4，0.6，0.8和1.0变化。请注意，应力梯度系数等于1.0时，板下均匀压缩。并对有初始几何缺陷和焊接残余应力方钢板（500500毫米）进行了研究。钢板厚度不同， B / T比值从30至100不等。钢板的屈服强度为300MPA，杨氏模量为200GPA。初始几何缺陷和残余应力的对在统一边缘压力下钢板的局部屈曲强度和极限强度影响在以前就被研究过了，在这里并没有被研究。各种B/T比值钢板在=0.8的应力梯度下的横向负载偏转曲线如图4所示。该图显示，由于初始缺陷和应力梯度的影响，所有钢板被认为不能达到屈服强度。钢板的刚度，临界局部屈曲强度和极限强度一般随着宽度与厚度比的增加而减少。然而，B / T比为30和40的钢板可以达到相同的极限应力，因为这些窄厚的板只经历屈服。B/T为100的钢板的极限强度只有屈服强度的61.4%，这似乎能从图4中的看出来。显然，局部屈曲大大降到了细长钢板的极限强度。图5说明了应力梯度系数对B/T为100的钢板荷载-挠度曲线的影响。数据表明，钢板的横向刚度随应力梯度系数增加而降低。钢板的横向刚度减少，最终将导致有初始缺陷的钢板局部临界屈曲强度更低，如图5所示。从图中可以看出，随着压力梯度系数的增加，钢板的极限强度会降低。当应力梯度系数从0.0提高到0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，钢板的极限应力分别降低到0.844fy，0.825fy，0.751fy，0.652fy，0.614fy和0.566fy。图6提供了钢管混凝土梁柱中受边缘压力作用下的钢板的极限强度的变化。由图6可以看出，相同的压力梯度下的钢板的极限强度随着宽厚比的增加而减少。正如所料，忽略宽厚比的影响，增加梯度因素（）会降低钢板的极限强度。当应力梯度系数从0.2增加到 0.4, 0.6, 0.8 ，1.0时,B/T为60的钢板的极限应力分别从1.145fy减小到1.04 fy , 0.935 fy , 0.845 fy 和0.767 fy。对于B/T值和压力梯度系数较小的钢板，由于应变硬化和应力梯度，钢板的极限强度可以比屈服强度更高。宇佐美5也曾发表说，钢板应力梯度系数小于1.0的极限应力超过其屈服强度。从图6可以看出，由于应变硬化和应力梯度，钢板的强度极限最大能增加超过屈服强度约18。4面内弯曲下的钢板如图3所示，钢板面内弯曲下的临界局部屈曲和局部屈曲后强度在这里考察。在分析的几何形状和材料的属性上与上一节提出的相同。应力梯度系数的变化范围从0.2到0.4，0.6，0.8和1.0。图7描绘了=0.2的钢板的横向负载的挠度曲线。这一数字表明，在相同的应力梯度下，增加宽度与厚度比显着降低板的横向刚度。当B / T比值从60到增加100，钢板承受的极限应力略有降低。应力梯度系数对B/T为80的钢板的荷载-挠度性能的影响在图8示意。可以看出，减少应力梯度系数会增大在相同的负荷水平的横向偏转板。应力梯度系数对钢板的极限强度影响不大，因为局部屈曲的是不可能发生在这样的B/ T比值的板中的。5临界屈曲强度从图4中可以看出，侧向负载挠度曲线上没有分支点，因为由于初始缺陷的存在钢板可以被观察。为了确定有初始几何缺陷和残余应力的钢板临界局部屈曲强度，一个简单的方法已经由梁和乌伊【14】开发出来。用他们的方法，拐点能被确定通过绘制无量纲的中心横向位移对偏转的比例图。从细节被确定的W和1的最小值代表了拐点，在相应的负荷水平下，局部屈曲会发生。图9给出了荷载-挠度曲线，用来确定受变化的压力B/T为100的钢板屈曲强度。这一数据表明，随w/1的减小，在挠度和负载上，最初的几个荷载增量相应增加。在w/1到达了最低值后，随着挠度和负载的增加，w/1也随之增加。在局部屈曲发生前，板的横向变形随着荷载会小幅度地变大。然而，在局部屈曲之后，横向挠度迅速增加，即使在一个很小的荷载增量下，因为局部屈曲已显著减少钢板的横向刚度。通过图9可以看出，w/1的比值会增大通过增大应力梯度系数。在边缘应力下钢板的临界局部应力如图10所示。从图10中可以看出，当b/t比增大到30以上时，增大压力梯度系数会减小钢板的临界局部屈曲应力。6.后局部屈曲的储备强度经过临界局部屈曲后，薄钢板仍可以无故障地增加负荷。薄钢板的这种性能被称为后局部屈曲。钢板后局部屈曲的反力是临界屈曲强度和钢板所能承受的极限强度的差异，表达式如下1p = 1u 1c (2)在这里1p表示后局部屈曲的储存强度，1u表示极限强度，1c表示有缺陷的钢板的局部屈曲压力，1c由从钢板非线性有限元的分析中得到的横向负载偏转曲线决定的。从图6和图10中可以看出，当宽厚比大于60，钢板的后局部屈曲强度随应力梯度系数（0.2）增加而降低。当受到相同的应力梯度，细长钢板的后局部屈曲的储备强度远远比短粗的大。b/t为100和为1.0的钢板的后局部屈曲储备强度占钢铁材料的屈服强度的69.7%，然而b/t为30的钢板只占屈服强度的27.3%。7.拟议的设计公式7.1临界局部屈曲强度设计公式如图10所示，有缺陷和残余应力的钢板的临界屈曲强度由板的宽厚比，应力梯度系数和钢板的屈服强度决定。基于非线性有限元分析得到的结果，用于计算在线性变化的边缘应力作用下的钢板临界局部屈曲强度的设计公式如下，1c/fy=a1+a2（b/t）+a3（b/t）2+a4（b/t）3 （3）b是钢板的宽，t是钢板的厚度，a1，a2，a3，a4是常系数，随梯度应力系数变化。各种压力梯度系数及其所对应的钢板临界局部屈曲强度的常系数列于表1。用公式3计算的钢板的临界强度与在图11中有限元分析中的到的结果比较。可以得出，拟议的设计公式和有限元分析的结果吻合得很好。7.2极限强度设计公式正如上一节讨论的，钢管混凝土的梁柱中的薄钢板局部屈曲后具有很高的的扭转强度。因此，在极限强度设计，应考虑薄局部屈曲后钢板扭转强度。从图6中可以看出，有几何缺陷和残余应力的钢板的极限强度是一个关于B/T比值，应力梯度系数（），屈服强度（fy）的函数。为了定量计算在边缘压力作用下的钢管混凝土梁柱的钢板，表达式如下，1u/fy=c1+c2(b/t)+c3(b/t)2+c4(bt)3 (4)1u指的是对应的是在极限状态下最大边缘应力的作用下的极限应力。c1，c2，c3，c4是随应力梯度系数变化而变化的常系数。表2给出了各种应力梯度系数下的钢板极限应力所对应的常系数。比较利用公式（4）计算得出的钢板极限应力与图12的有限元分析法所得出的结果。可以看出，所提出的设计公式非常适合有限元分析的结果。在应力梯度作用下的钢板的极限强度是一个关于应力梯度系数的函数。有人提出一个公式，近似地计算大于零应力梯度系数的钢板极限强度，如下：1c/fy=（1+0.5）u/fy(00.0 （6a）be1/b=0.4186-0.002047(b/t)+5.335x10-5(b/t)2-4.685x10-7(b/t)3 当=0.0 （6b）be2/b=(1+) be1/b (7)如图13中所示，这里be1, be2是有效宽度。注意：（be1+be1）b，钢板负荷时是完全有效的，并且钢板极限强度可以使用式(4)及(5)确定。8与现有公式的比较8.1均匀受压将为确定钢管混凝土箱型柱的均匀受压下的钢板极限强度拟议的设计公式与现有的已经在文献中发表的本节的公式进行比较。梁和乌伊【14】提出的钢管混凝土箱型柱的钢板有效宽度表达式为be/b=0.675(cr/fy)1/3 当crfybe/b=0.915(cr/(fy+cr)1/3 当crfy这里be指的是总有效宽度，cr指的是均匀受压的无缺陷的钢板弹性临界局部屈曲应力，计算式如下【20】，cr=k2E/12(1-2)(bt)2 (10)指的是泊松比，k是弹性局部屈曲系数，在公式(10)计算中，用公式(8)或者公式(9)在夹紧板梁中计算cr时，梁【21】建议取9.81。由葛和宇佐美拟议的设计公式预测钢框箱型柱中的压力作用下的钢板的极限强度的表达式如下，u/fy=1.2/-0.3/2是宽厚比的参数，可以由下式计算，=b/t121-2fy2kE弹性局部屈曲系数k在式(12)中取4.0，计算出待人式(11)。井等人【12】提出了为计算边缘被夹住的钢板的极限强度的公式，表达式如下，u/fy=0.433(-0.5)2-0.831(-0.5)+1.0(0.590的钢板，设计的公式比式（14）和（15）计算所得到的板极限应力略高。对于B/T60的钢板，设计公式计算得到的强度相比式（14）和（15）计算得到更保守。应当指出的是，式（14）和（15）是在简支的钢板基础上发展的。可以得出结论，设计的有效宽度公式能对混凝土钢管混凝土梁，柱中压缩下的和平面弯曲内的钢板极限强度的准确预测。9 结论本文已通过几何和材料非线性有限元分析对钢管混凝土薄壁型钢管状梁柱中钢板局部临界屈曲强度和局部后屈曲强度行为进行了研究。各种宽度厚度比和有几何缺陷和残余应力方形钢板已被研究。包括边压缩和面内弯曲在内的两个负载条件，对钢管混凝土梁柱遇到的问题进行了审议。对应力梯度系数和宽厚度比率对临界局部屈曲强度，局部屈曲后的极限强度，极限强度和钢板钢管混凝土箱型柱的荷载-挠度性能的的影响进行了调查。根据非线性有限元分析得到的结果，本文提出了一组设计公式，以确定临界局部屈曲和在压力和面内弯曲下极限强度。有效宽度公式也得到了发展，并用于确定钢管梁柱中边缘应力下钢板的极限强度。计算结果表明，在一个预定义的应力梯度下，增加钢板的宽度与厚度会减少其横向刚度，临界局部屈曲应力和极限强度。它也被证明，横向刚度，边缘压缩下钢板临界局部屈曲应力和极限强度随应力梯度系数的增加而减小。钢板边缘压缩和平面弯曲下的极限应力的设计公式用可行的方法进行比较验证。这些设计公式可以直接用在薄壁钢管混凝土梁柱钢板设计中，并适合列入复合设计规范。此外，他们还被纳入先进的分析方法，用于考虑轴向和双轴弯曲下壁薄钢管梁柱钢板性能和强度影响。