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。