方形钢管混凝土局部屈曲有限元分析

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发布时间：2021-09-11

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方形钢管混凝土局部屈曲有限元分析
金雪峰，袁丹凤，刘隆定
(1．广州市住宅建筑设计院，510063；2．水利部珠江水利委员会勘测设计研究院，广州510064)
摘要：应用通用有限元程序，对方形空钢管、方形钢管混凝土两种不同构件进行了特征值屈曲分析，研究了该
两种不同构件的屈曲模式及临界屈曲应力，并与试验研究成果及理论分析结果进行了比较，结果吻合良好。
关键词：方形钢管混凝土柱；局部屈曲；屈曲系数；有限元分析
Abstract：Finite element analysis (FEA)of eigenvalue method are used to study the buckling modes and the critical
buckling stress of steel plates in the hollow box columns and the concrete—filled steel box columns．Comparison of
theoretical analysis．FEA and experimental results are well anastomosed．
Key words：Concrete-filled steel box columns；Local buckling；Buckling coefficient；Finite element analysis(FEA)
中图分类号：TU525 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2011)O6—33_03
0 前言
屈曲分析主要用来确定结构开始变得不稳定
时的临界载荷和屈曲模态形状(即结构发生屈曲响
应的特征形状)。结构的屈曲分析主要包括非线性
屈曲分析和特征值(或线性)屈曲分析两种，这两种
分析方法在计算中通常会产生不同的结果输出。特
征值屈曲分析一般用于预测一个理想弹性结构的
理论屈曲强度(分歧点)，这种方法满足于经典的教
本理论，它是进行非线性屈曲分析的基础，在稳定
分析中占有重要地位。但是，由于材料的初始缺陷
和非线性等原因，往往导致了理想结构很难获得其
理论弹性屈曲强度，而在非线性屈曲分析中，可以
考虑到结构的初始缺陷、塑性行为、裂纹以及大变
形效应等，从而使得非线性屈曲分析比线性屈曲分
析更精确l1-2]。线性屈曲与非线性屈曲分析曲线如图
1所示
鼹
挺
横向变形U
图1 线性及非线性屈曲分析曲线
本文的主要目的是分别建立适用于方形空钢
管、方形钢管混凝土两种构件的三维有限元分析模
型，并对该有限元模型进行特征值屈曲分析，进而
求出各种不同有限元模型的临界屈曲荷载及局部
屈曲系数。
1 有限元模型
1．1 单元类型
在本次有限元分析中，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，
混凝土采用8节点的Solid65单元Ⅲ。
1．2 本构关系
混凝土是一种复合材料，物理性质相当复杂，
具有拉压不对称的力学性能，抗拉强度仅为抗压强
度的8％-15％。在受压区段中，混凝土在达到其最大
抗压强度的大约30％前基本保持线弹性状态，而后
混凝土的应力逐步增加，切线模量不断减小直至
零，此时达到其最大抗压强度，随后混凝土出现软
化，最终在应变达到占。时被压坏。在受拉区段中，
可近似认为混凝土线弹性地达到其抗拉强度，而后
开裂并逐步丧失承载能力。本次分析取． =0．8 =
50．0MPa，fc =0．26(fc ) =4．1MPa。采用的混凝土受压
区段的本构曲线是根据我国现行规范GB50010—
2002(混凝土结构设计规范》翻，对典型的混凝土单
轴抗压应力一应变曲线进行简化得到的。简化的混
凝土应力一应变曲线如图2所示。
构件钢材的本构模型采用图3所示的弹性一强
化模型，其应力应变关系为：