带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析

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发布时间：2021-09-10

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带肋薄壁方钢管混凝土组合柱的非线性有限元分析
张平，李佰寿，郑玉今
(延边大学结构工程学科，133002)
摘要：针对薄壁方钢管混凝土在轴压下易产生局部屈曲问题，考虑材料本构关系的非线性，利用ANSYS程序
建立了不带肋和带肋的薄壁方钢管混凝土组合柱的三维有限元模型；在普通钢管混凝土工作原理基础上，对带肋薄
壁方钢管混凝土受力机理进行了探讨。揭示出受力过程中带肋薄壁钢管与核心混凝土截面应力分布发展规律及二
者间的相互作用。结果表明，设肋后显著削弱钢管角部应力，增大核心混凝土区面积，即增强了对核心混凝土的约束
效应，改善了薄壁方钢管混凝土柱的局部屈曲性能，增强了承载力和延性。
关键词：带肋组合柱；核心混凝土；局部屈曲；非线性有限元；应力应变
Abstract：Aimed at the problem on local buckling of thin—walled concrete filled square steel tubes under axial
compressive loading，considering the nonlinear material constitutive relation，using ANSYS program to establish the three—
dimensional finite element model of the non ribbed and ribbed thin——walled concrete filled square steel tubes of composite
columns，on the base of the working principle for common concrete with steel tubes，the stress mechanism of ribbed thin—
walled concrete filled square steel tubes is discussed，which reveals the developing rules of stress distribution and the
interaction between ribbed thin-walled steel tube and core concrete section in the stress process．The results show that the
stress of steel tube coruer is significantly weakened after ribbed，and increasing the area of core concrete，namely
enhancing the binding effect on core concrete，can improve the local buckling performance of the thin—walled concrete
columns filled square steel tubes，and enhance the bearing capacity and ductility．
Key words：Ribbed composite columns；Core concrete；Local buckling；Nonlinear finite element；Stress-strain
中图分类号：TU375．3 文献标识码：A 文章编号：1000-4637(201 1)08-31-04
0 前言
近年来，随着高强钢材在国内外的不断推广应
用，采用高强钢材制作的结构构件开始向薄壁化方
向发展，薄钢组合结构是近年来发展起来的一种新
型结构形式。薄壁钢管混凝土组合柱是在传统钢管
混凝土结构的基础上由薄壁钢管与混凝土组合而
成的结构形式，填充的混凝土提高了薄壁构件的局
部屈曲强度性能，而薄壁钢管既可作柱的模板又同
时起到了受力纵筋和约束箍筋的作用，可以减少钢
材用量，达到降低工程造价的目的。
但是薄壁钢管混凝土在轴向压力作用下较易
产生局部屈曲，从而降低构件承载能力，并影响其
正常工作性能，尤其是当构件截面形状为方形或矩
形时，即使管内填充混凝土，外部方钢管仍会发生
局部屈曲咽，外部方钢管的屈曲使方钢管的强度不
能得到充分的利用(不是全截面有效)，同时，管壁
的局部屈曲减弱了方钢管对核心混凝土的紧箍约
束作用，从而降低了核心混凝土的轴向承载力。为
此，国内外研究者先后提出一些抵消这种影响的构
造措施，主要包括设置纵向加劲肋[3删、采用约束拉
杆[6-7]和角部隅撑I现这三种方法。本研究针对薄壁方
钢管混凝土在轴压下易产生局部屈曲问题，考虑材
料本构关系的非线性，利用ANSYS程序建立了不
带肋和带肋的薄壁方钢管混凝土组合柱的三维有
限元模型，揭示受力过程中带肋薄壁钢管与核心混
凝土截面应力分布发展规律及二者间的相互作用，
探究薄壁方钢管混凝土的受力机理。
1 试件模型介绍
为研究薄壁方钢管混凝土组合柱，确定轴压极
限承载力，试件的长度必须适当。过长的试件，将会
出现整体稳定问题，此时测得的抗力不能代表组合
材料的真实强度；过短的试件端部效应的影响将不
可忽略。因此，取试件长宽比等于3[91。混凝土强度等
级为C30，弹性模量Ec=3．0xl04MPa，泊松比Vc=
0．2；钢材型号为Q235，屈服强度取350MPa，弹性模
量Es=2．06xlO5Mpa，泊松比Vs=0．3，构件主要参数
见表1。
2 有限元模型的建立
2．1 单元类型的选择
薄壁钢管、垫板和加劲肋采用SOLID45单元模