（工程力学专业论文）钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲的理论研究.pdf

硕十学位论文 摘要 钢管混凝土结构按截面形式不同可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边 形钢管混凝土等。钢管混凝土在轴向压力作用下，外包钢管对核心混凝土有紧固 的约束作用，而核心混凝土的存在又限制了钢管壁内凹屈曲，从而大大提高了钢 管壁板件的局部屈曲性能。钢管混凝土长柱在整体失稳之前钢管均发生了局部屈 曲现象，由于钢管壁的局部屈曲会降低构件的承载力与延性，钢管壁局部屈曲问 题显得尤为重要。本论文的主要内容： 1 ) 绪论主要介绍了钢管混凝土特点和钢管混凝土在国内外的发展概况及应 用，然后介绍了国内外对钢管混凝土研究的现状。 2 ) 对方钢管混凝土柱在轴压下的钢管壁的局部屈曲性能进行了理论分析。假 定核心混凝土为刚性以及方钢管混凝土柱的钢管板件在非加载边受到弹性约束， 确定出了钢管壁板的局部屈曲模型。用能量法推导出方钢管混凝土柱在轴压下的 钢管管壁的局部屈曲临界应力。 3 ) 对圆钢管混凝土柱进行了理论分析。根据钢管与混凝土的相互作用关系， 假定核心混凝土为刚性以及钢管条形单元为支撑在刚性地基上的压杆，和假定核 心混凝土为刚性并按圆柱壳模型，分别推导出圆钢管混凝土柱的钢管壁的临界屈 曲应力。 4 ) 研究了用加劲肋加强的板的屈曲。用能量法求解双向均匀受压、均匀受 压和受剪的用加劲肋加强的四边简支矩形板以及均匀受剪的斜向加劲肋加强四 边简支板的稳定性问题，讨论了加劲肋对屈曲荷载的影响。 关键词：钢管混凝土：能量法；局部屈曲；加劲肋 a b s t r a c t c o n c r e t e n l l e ds t e e lt u b e ss t r u c t u r ec a nb ed i v i d e d i n t od i f f b r e n ts e c t l o no ft h e f o r mo fc o n c r e t e f i l l e ds t e e lb o xc o l u m n s ，c o n c r e t e f i l l e dc i r c u l a rs t e e lt u b e sa n d c o n c r e t e - f i l l e ds t e e lt u b u l a rp o l y g o n ，a n ds oo n w h e nt h ec o n c r e t e _ f i l l e ds t e e lb o x c o l u m n su n d e ra x i a lc o m p r e s s i o n ，t h es t e e lt u b e sh a v et h ea b i l i t yt oc o n f i n et h ec o r e c o n c f e t e ，a n dt h ec o r ec o n c r e t ep r e v e n t st h es t e e lt u b e sb u c k l ei n w a r d ，a sar e s u l t ， t h e1 0 c a lb u c k l i n gc a p a b i l i t yi sg r e a t l ye n h a n c e d t h el o c a lb u c k li n go c c u r s 1 nt h e s t e e lt u b e so ft h el o n gc o l u m no fc o n c r e t e - n l l e d s t e e lt u b eb e f o r ei t s o v e r a l l i n s t a b i l i t v t h el o c a lb u c k l i n go ft h es t e e lp l a t e sw i l lr e d u c et h eu l t i m a t el o a d a n d d u c t 订i t yo ft h ec o m p o s i t ec o l u m n s ，t h e ns t u d yo f1 0 c a lb u c k l i n go fs t e e l t u b e s1 s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h i sp a p e rs t u d i e da sf b l l o w s ： t ob e g i nw i t h ，i n t r o d u c t i o ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e i l ta t h o m ea n da b r o a da n da p p l i c a t i o no fc o n c r e t e n l l e ds t e e lt u b e s ，a n dt h e ni n t r o d u c e d t h es t u d vs t a t u sa th o m ea n da b r o a do f c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e s m o r e o v e r ，t h el o c a lb u c k l i n go ft h ec o n c r e t e f i l l e d s t e e lb o xc o l u m n su n d e r a x i a lc o m p r e s s i o na r ea n a l y z e di nt h e o r y t h el o c a lb u c k l i n gm o d e lo fs t e e lp l a t e l s d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ea s s u m p t i o nt h a tt h ec o r ec o n c r e t ei s c o n s l d e r e da sa r i g i db o d ya n dt h es t e e lp l a t eo fc o n c r e t e - n l l e d s q u a r e s t e e lt u b u l a rc o l u m nl s s u b e c t e dt os p r i n gc o n s t r a i na t t h eu n l o a d i n ge d g e t h ef o r m u l a ef o rc a l c u l a t l n g l o c a lb u c k l i n gc r i t i c a ls t r e s so ft h e s t e e lp l a t eo fr e c t a n g u l a rc o n c r e t e f i l l e ds t e e l t u b u l a rc o l u m ns u b ie c t e dt oa x i sf o r c ea r ed e d u c e du s i n ge n e r g ya p p r o a c n i na d d i t i o n t h ec i r c u l a rc o n c r e t e n l l e ds t e e l t u b u l a rc o l u m n sa r ea n a l y z e dl n t h e o r y 。a c c o r d i n gt ot h ei n t e r a c t i o no f s t e e la n dc o n c r e t e ，o nt h ea s s u m p t l o nt h a tt n e c o r ec o n c r e t ei sc o n s i d e r e da sar i g i db o d ya n d s t e e lt u b es t r i pe l e m e n t ss u p p o r t e db y t h er i g i df o u n d a t i o n s ，a n dt h ea s s u m p t i o nt h a tt h ec o r ec o n c r e t ei s c o n s l d e r e da sa r i g i db o d ya n dg e n e r a l l yc y l i n d r i c a ls h e l lm o d e l ，t h ef o r m u l a ef o rc a l c u l a t l n gl o c a l b u c k l i n gc r i t i c a ls t r e s so ft h es t e e lp l a t eo fc o n c r e t e n l l e ds t e e l t u b u l a rc o l u m n s s u b je c t e dt oa x i sf o r c ea r ed e d u c e dr e s p e c t i v e l yu s i n ge n e r g ya p p r o a c h f i n a l l y ，t h eb u c k l i n go fi n c l i n e ds t i f f e n e r sw i t hp l a t e sa r es t u d i e d a l le d g e s s i m p l ys u p p o r t e dr e c t a n g u l a rp l a t es u b j e c t e dt o b i a x i a lu n i f o r mc o m p r e s s l o na n d u n i f o r mc o m p r e s s i o na n ds h e a rf o r c e sw i t hs t i f 先n e r s a r ea n a l y z e du s m ge n e r g y a p p r o a c h a ne d g e ss i m p l ys u p p o r t e dr e c t a n g u l a tp l a t es u b j e c t e dt o p u r eu n l t o r m s h e a rf o r c e sw i t hi n c l i n e ds t if f e n e r sa r ea n a l y z e du s i n ge n e r g ya p p r o a c h c o n s e q u e 。 i v 硕十学侍论文 n t l y ，s t i f f e n e r se f 亿c t so ft h es i z eo ft h eb u c k l i n gl o a d k e yw o r d s ： c o n c r e t e f i l l e ds t e e lt u b e ；l o c a lb u c k l i n g ；e n e r g ya p p r o a c h ；s t i f f e n e r s v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：霉钦竿 日期：9 罗年6 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期：d 罩年月d 日 日期：眇7 年矿月他日 移t 钦矗 粱彩 名名 签签 者师作导 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 钢管混凝土的特点 钢管混凝土是指在钢管中填充混凝土而形成、且钢管及其核心混凝土能共同 承受外荷载作用的结构构件。钢管混凝土结构是在型钢混凝土结构及螺旋配筋 混凝土结构的基础上演变发展而来的，按截面形式不同可分为方钢管混凝土、圆 钢管混凝土和多边形钢管混凝土等；按填充的混凝土不同，分为内填素混凝土的 钢管混凝土和内填配筋混凝土的钢管混凝土两种。利用钢管和混凝土两种材料在 受力过程中的相互作用来充分发挥两种材料的优点，即不仅使混凝土的塑性和韧 性性能大为改善，而且可以避免或延缓钢管发生局部屈曲陋1 。 钢管混凝土结构的特点可简要归纳如下： ( 1 ) 承载力高 钢管混凝土构件在受力过程中，钢管可有效地约束其核心混凝土，从而延缓 其受压时的纵向开裂；核心混凝土的存在可有效地延缓或避免薄壁钢管过早地发 生局部屈曲。这样，两种材料相互弥补了彼此的弱点，却可以充分发挥各自的长 处，从而使钢管混凝土具有很高的承载能力，一般都高于组成钢管混凝土的钢管 和核心混凝土单独受荷载时的极限承载能力的叠加。 ( 2 ) 塑性和韧性好 众所周知，混凝土( 尤其高强度混凝土) 的脆性相对较大。如果将混凝土灌 入钢管中形成钢管混凝土，混凝土在钢管的约束下，其脆性可得到有效地改善， 塑性性能得到提高。一些研究还表明，钢管混凝土在承受冲击荷载时具有良好的 韧性。由于钢管混凝土具有良好的塑性和韧性，因而抗震性能良好。 ( 3 ) 制作和施工方便 和钢筋混凝土柱相比，采用钢管混凝土时没有绑扎钢筋、支模和拆模等工序， 施工简便。此外混凝土的浇筑也更为方便，特别是目前采用泵送混凝土、高位抛 落免振捣混凝土和自密实混凝土等工艺，更可加速混凝土的施工进度。与钢结构 构件相比，钢管混凝土的构造通常更为简单，焊缝少，更易于制作。特别是在钢 管混凝土中可更为广泛地采用薄壁钢管，因而进行钢管的现场拼接对焊更为简便 快捷。此外，空钢管柱安装偏差校正也更为方便。同样与钢柱相比，钢管混凝土 的柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，柱脚构造更为 简单。 ( 4 ) 耐火性能好 钢管混凝土具有良好的耐火性能，总体上主要体现在两个方面：一是火灾作 钢竹混凝卜柁在4 = l 爪下局矗：j 一【f n 的州论研究 用下构件具有优越的抗火性能；二是火灾作用后构件具有很好的可修复性。钢管 混凝土构件在火灾作用下，由于核心混凝土可吸收其外围钢管传来的热量，从而 使其外包钢管的升温滞后，这样钢管混凝土中钢管的承载力损失比纯钢结构相对 更小，而钢管也可以保护混凝土不发生崩裂现象。火灾作用下，随着外包钢管温 度的不断升高，其承载能力会不断降低，并把卸下的荷载传递给温升较慢且具有 较高承载能力的核心混凝土。这样由于组成钢管混凝土的钢管和其核心混凝土之 间具有相互贡献、协同互补和共同工作的优势，使这种结构具有较好的耐火性能。 试验研究结果和工程火灾调查结果均表明，火灾作用后，随着外界温度的降 低，钢管混凝土柱己屈服截面处钢管的强度可以得到不同程度的恢复，截面的力 学性能比高温下有所改善，结构的整体性比火灾中也将有所提高，这不仅为结构 的加固补强提供了一个较为安全的工作环境，也可减少补强工作量，降低维修费 用。 ( 5 ) 经济效果好 作为一种组合结构构件，采用钢管混凝土不仅施工方便，而且可以很好地发 挥钢材和混凝土两种材料的力学特性，使它们的优点得到更为充分和合理的发 挥，因此，采用钢管混凝土一般都具有很好的经济效果。不少工程实际的经验均 表明：采用钢管混凝土的承压构件比普通钢筋混凝土承压构件约可节约混凝土 5 0 ，减轻结构自重5 0 左右。钢材用量略高或约相等；和钢结构相比，可节约 钢材5 0 左右。此外，由于在钢管内填充了混凝土，钢管混凝土柱的防锈费用 会较空钢管柱有所降低。 1 2 钢管混凝土的发展及应用 1 2 1 钢管混凝土在国外的发展概况及应用 钢管混凝土是在型钢混凝土及螺旋配筋混凝土的基础上演变和发展起来的。 最早采用钢管混凝土的工程之一是1 8 7 9 年英国的s e v e r n 铁路桥桥墩，在管中浇 筑混凝土以防止内部锈蚀并承受压力。随后又被用作单层或多层工业厂房的结构 柱口1 。在二十世纪初，美国在一些单层和多层房屋建筑中采用了称为“l a l l y c o l u m n 的圆形钢管混凝土柱。2 0 年代前后，在美国的波士顿、纽约、和芝加 哥等地，曾将其用作单层和多层厂房建筑的承重柱；1 9 3 0 年，在法国巴黎郊区 的i b i s 用其建造过一座9 m 跨度的上承式拱桥；1 9 3 7 年，在前苏联列宁格勒用 集束的小直径钢管混凝土作为拱肋，建造了横跨涅瓦河1 0 l m 跨度的下承式拱桥。 但是，受当时施工方法的限制，钢管混凝土在施工安装方面的优越性未能得到发 挥钔。 此后，前苏联、北美、西欧、日本等地陆续出现了钢管混凝土结构的建筑物， 2 硕十学何论文 应用范围集中于土建工程和构筑物，如前苏联乌拉尔的伊谢特铁路桥、日本鸣门 海峡的输电跨越塔以及美国旧金山市一栋5 0 层办公楼。但是由于管内混凝土浇 筑工艺未得到很好解决，现场的施工操作显得繁琐，使钢管混凝土在施工方面的 潜在优势未能得到应有的发挥。 但早期的应用中一般不考虑由于组成钢管混凝土的钢管及其核心混凝土间 相互作用对其承载力的提高。早期钢管混凝土中采用的钢管大多是热轧管，钢管 的壁厚一般都比较大，且由于当时钢管内混凝土的浇筑工艺也未得到很好解决， 因而应用钢管混凝土的经济效果并不明显，从而使钢管混凝土的推广应用受到一 定影响。 对钢管混凝土力学性能研究方面早期的报道有k 1 0 p p e l 和g o d e r 等。对钢管 混凝土力学性能进行较为深入的研究始于二十世纪六七十年代，例如b o d e 、 b r id g e 、k n o w l e s 等，前苏联对钢管混凝土结构进行了系统的研究，并在工业厂 房、空间结构和拱桥结构中应用。二十世纪八十年代，国外学者研究了钢管混凝 土构件的抗震性能和耐火极限，例如s a k i n o 、k 1 i n g s c h 等n 1 。 8 0 年代后期，由于先进的泵送混凝土工艺的发展，解决了现场管内混凝土 浇筑工艺问题，即保证了工程质量，又降低了工程造价，加之现代高强度混凝土 需要钢管套箍以克服其脆性，因而在美国、澳大利亚等国的一些高层建筑工程中， 钢管混凝土结构技术又开始被应用，如美国西雅图的联合广场大厦、澳大利亚墨 尔本的联邦中心大厦。其中，联合广场大厦共5 8 层，总高为2 1 9 5 米，核心筒 是用四根3 米直径的钢管混凝土柱组成的框架啼咱1 。 近年来在欧美、加拿大、澳大利亚和日本等国，钢管混凝土在中低层建筑中 的应用比较广泛，如英国泰恩河畔芬维克商店的四层扩建工程和日内瓦世界劳工 组织的1 4 层总部大楼等；而且方钢管混凝土在高层建筑中已开始被逐渐采用， 如澳大利亚亚帕斯f o r r e s tc e n t e r 大厦口咱1 。 1 2 2 钢管混凝土在国内的发展概况及应用 钢管混凝土结构技术在我国的开发利用已有5 0 多年的历史。二十世纪6 0 年， 开始在一些厂房柱和地下铁道工程中采用，如鞍山混凝土制管车间、首都地铁第 一期工程中部分站台柱等凹1 。 在我国，对钢管混凝土结构较早开展研究工作的有原中国科学院哈尔滨土建 研究所等单位。二十世纪六十年代后期，原建筑材料研究院、原哈尔滨建筑工程 学院、冶金建筑科学研究总院、北京地下铁道工程局、国家电力研究所以及中国 建筑科学院等单位都先后对钢管混凝土基本构件的力学性能和设计方法、节点构 造和施工技术等方面进行了比较系统的研究工作。六十年代中期，钢管混凝土开 始在一些厂房柱和地铁工程中采用。 3 钢管混i 疑十柿花轴j 瓦下局部j 一| | j j f 勺理论硎冗 1 9 7 8 年，钢管混凝土结构被列入国家科学发展规划，无论是科学研究还是设 计施工都取得了较大发展，钢管混凝土结构在国内得到了进一步推广应用，如首 钢二号高炉构架等，取得了良好的经济效益与社会效益n 叫。 自8 0 年代开始，钢管混凝土结构在我国的发展十分迅速，已广泛应用于冶 金、电力、交通等部门的工业建筑中，并以十分迅猛的势头进入了桥梁工程和高 层与超高层中。 钢管混凝土能适应现代化工程结构向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件 的需要，符合现代技术的工业化要求，因而正被越来越广泛地应用于单层和多层 工业厂房柱、设备构架柱、各种支架、栈桥柱、地铁站台柱、送变电杆塔、桁架 压杆、桩、大跨和空间结构、商业广场、多层办公楼及住宅、高层和超高层建筑 以及桥梁结构中，取得了良好的经济效果和建筑效果。 钢管混凝土可用于多层、高层和超高层建筑的柱结构和抗侧力体系，构件截 面可采用圆形或方形、矩形。其主要优点有：1 ) 构件截面小，节约建筑材料， 增加使用空间，构件自重减轻，可减少基础负担，降低基础造价；2 ) 抗震性能 好：3 ) 耐火性能优于钢结构，相对于钢结构可降低防火造价；4 ) 可采用“逆作 法或“半逆作法 的施工方法，可加快施工进度等。目前全国有不少已建成 的高层建筑采用钢管混凝土，例如：1 9 9 7 年建成的天津今晚报大厦；1 9 9 9 年建 成的深圳赛格广场大厦；2 0 0 1 年建成的北京世界金融中心；2 0 0 1 年建成的杭州 瑞丰国际商务大厦。 钢管混凝土已在桥梁结构中得到较为广泛的应用，拱式结构主要承受轴向压 力，当跨度很大时，拱肋将承受很大的轴向压力，采用钢管混凝土是十分合理的。 钢管混凝土被用作拱桥的承压构件，在施工时空钢管不但具有模板和钢筋的功 能，还具有加工成型后，空钢管骨架刚度大、承载能力高、重量轻的优点，结合 桥梁转体施工工艺，可实现拱桥材料高强度和无支架施工拱圈轻型化的目标。 例如1 9 9 1 年建成的四川旺苍桥，是国内第一座钢管混凝土拱桥；1 9 9 6 年建成的 杭州新塘路运河桥；1 9 9 7 年建成的重庆万县长江大桥。 1 3 国内外对钢管混凝土的研究现状 1 3 1 国外的研究现状 1 9 3 2 年，k a r m a n 等人研究了轴压下薄板的力学性能，建立并解释了“有效 宽度 理论。两年后基于几何分析，研究了在考虑板屈曲影响的轴压板件的力学 性能1 。 1 9 9 2 年，h a n b i ng e 等人对方形薄壁钢管混凝土柱的强度和变形进行了研究， 研究表明钢管的宽厚比和钢管内加劲肋的刚度对柱的力学性能具有较大的影响。 4 硕十学位论文 并通过钢管混凝土柱和空钢管的实验对比，证明由于混凝土的存在薄壁钢管混凝 土柱的强度和延性都得到了大大的提高。考虑混凝土的尺寸效应和薄壁板的局部 屈曲，得到了承载力计算的简化公式；考虑分别在加劲肋存在和无加劲肋存在的 情况下钢管的局部屈曲，得到了钢管屈曲强度的计算公式。同时他们进行了六根 钢管混凝土柱和四根空钢管的实验研究，为了研究对钢管刚度的影响因素，在两 个柱内部焊有加劲肋，实验结果表明：对于空钢管，局部屈曲发生在极限荷载之 前，且位于钢管中部，二个对称面向内屈曲，另两个对称面向外屈曲；钢管混凝 土柱在一个面发生局部屈曲后，柱子马上达到极限承载力，之后在所有的面发生 局部屈曲，剥开钢管发现钢管发生局部屈曲处的混凝土被压碎，因此可以认为钢 管局部屈曲发生在混凝土被压碎之后；加劲肋的存在可以提高柱子的极限承载力 和延性1 2 1 。 1 9 9 3 年，英国的h d w r i g h t 对空方钢管的局部屈曲性能进行了研究，提出了 薄壁钢管混凝土柱在轴压下，为了防止钢管局部屈曲，必须限值钢管宽厚比的最 大限值，并建立了理论模型。这个理论模型基于能量方法且纵向位移设为正弦平 方的函数，但模型仅适用于钢管均布受压的情况n p 1 。1 9 9 5 年，他又提出了防止 薄壁钢管混凝土在受弯、受剪的情况下钢管屈曲的宽厚比的最大限值n 副。1 9 9 8 年，他与b u y 等共同提出核心混凝土的收缩和徐变足以引起薄钢板局部的弹性屈 曲问题1 引。 1 9 9 6 年，澳大利亚的b u y 用半解析有限条元模型分析钢管混凝土构件中钢 板件的临界屈曲应力。假设纵向位移为正弦的平方函数，横截面位移为三次多项 式求得了屈曲系数，比与其相应的四边简支板的屈曲系数高得多。并提出防止局 部屈曲发生且适合设计应用的宽厚比限值n 。1 9 9 8 年，对薄壁方钢管混凝土中 钢壁板的局部屈曲和屈曲后性能进行了研究，分析了局部屈曲对极限抗压强度的 影响，并在有效宽度的基础上提出极限抗压强度的计算公式n 引。2 0 0 0 年，与 q q l i a n g 共同采用有限元分析方法对薄壁方形钢管混凝土柱的钢管壁局部屈 曲后性能进行理论研究。分析各种因素如几何缺陷、残余应力及宽厚比对钢管壁 局部屈曲后性能的影响。提出钢管壁局部屈曲后的有效宽度公式，并由此提出极 限抗压强度的公式，并与已有的试验结果相比较，符合很好n 引。2 0 0 1 年，对方 钢管高强混凝土的力学性能进行了试验研究，且提出了极限抗压强度的数值计算 模型；对方钢管高强混凝土短柱进行了实验研究，分析时认为混凝土是刚性的， 钢采用弹性模型呛引。2 0 0 2 年，与新加坡的n e s h a n m u g a m 和b l a k s h m i 共同对 薄壁方钢管混凝土试件在轴压和双向受弯情况下的力学特性和承受荷载的能力 用有效宽度概念进行分析并建立了有限元模型，与试验结果比较，符合较好托。 1 9 9 9 年，美国的m s h a m s 等人用三维有限元模型对钢管混凝土柱在轴压下 的性能包括钢管的局部屈曲、荷载转移机理、紧箍力、应力重分布等进行了非线 5 钢钙：混凝十柞尢轴爪下局部属曲的胛沦研究 性分析，并用试验结果对其进行了校核心引。 2 0 0 0 年，m a r t i n d 0 s h e a 与r u s s e l lq b r i d g e 共同提出几种设计方法用 来估计薄壁圆钢管混凝土在不同荷载条件下的极限抗压强度，并指出钢管和混凝 土之间有无粘结力是确定局部屈曲模态的关键。钢管对核心混凝土的最大约束作 用是发生在核心混凝土单独承受压力而钢管仅作为围护和支撑构件旧引。 a n k o u n a d is 等人研究了在轴压条件下，内填软性材料的圆钢管壳对称屈曲的 性能，通过三维稳定分析，建立了内填软性密实材料的钢管混凝土柱轴压承载力 的简化公式心4 i 。y iz h e n g 等人研究发现薄壁方钢管钢柱容易发生由钢管的局部 屈曲引起的破坏。并且地震荷载是在压弯形式作用在柱上。研究了翼缘宽厚比、 轴压强度、加劲肋的长细比、截面形式和钢管的高宽比对薄壁方钢管钢柱的影响。 并利用弹塑性大变形的有限元理论，在考虑残余应力和初始缺陷下，得出了经验 屈曲公式乜5 1 ；提出了方形薄壁型钢柱的屈曲承载力的实用简化公式，在确定失 效标准时考虑局部屈曲的影响，而在进行弹塑性分析时，不考虑局部屈盐的影响， 同时考虑了加劲肋的影响瞳6 1 。 2 0 0 2 年，m a r t i np i r c h e r 等人共同对薄壁方钢管混凝土试件在制作过程中 产生的各种缺陷对其屈曲性能的影响开展了研究工作乜7 1 。x i a o l i n gz h a o 等人对 方中空夹层钢管混凝土的破坏特性进行了弹性分析和研究，研究了外部钢管的局 部屈曲对整体失稳所造成的影响，建立了新的外部钢管力学模型堙8 1 。b w s c h a f e r 研究了开口截面的薄壁冷弯钢柱在局部屈曲、扭曲和欧拉屈曲情况下的 力学性能瞳9 j 。n e s h a n m u g a m 等人通过研究得出，钢管的局部屈曲是柱破坏的重 要标准，他们利用有效宽度理论得到了薄壁方钢管混凝土短柱的力学性能和轴压 承载力公式。计算得出的结果与实际值吻合的非常好，而且简化的公式不受加载 条件的限制口叫。m a b r a d f o r d 等人对内填硬性材料的圆薄壁钢管柱的局部屈曲 和屈曲以后的性能进行了理论性的研究，并对用于组合结构的钢管混凝土柱的截 面性质进行了研究，得出了薄壁圆钢管在单独受力时的弹性屈曲应力的近似公式 【3 1 o 2 0 0 3 年，j r h o d e s 对板的屈曲后的力学性能进行了分析，并研究了在轴压 和偏压作用下，板和构件的力学性能口引。 1 3 2 国内的研究现状 近年来，国内学者对钢管混凝土力学性能和设计方法开展了深入细致的研究 工作，已取得了丰硕成果，一批著作相续问世，如蔡绍怀的现代钢管混凝土结 构m 1 、钟善桐的钢管混凝土结构1 、韩林海的钢管混凝土力学口1 和钢 管混凝土结构一理论与实践b 5 1 以及现代钢管混凝土结构技术等等。 1 9 8 5 年，蔡绍怀、顾万黎进行了两个圆钢管混凝土纯弯构件的试验研究阳引。 6 硕七学位论文 1 9 9 3 年，张正国对方钢管混凝土中长轴压柱进行了稳定分析和实用设计方法引。 1 9 9 6 年，李四平等人，对方钢管混凝土柱做了较多的计算分析，根据所提出的 单一材料偏压柱的精确分析模型，模拟了方钢管混凝土偏压柱从初始受力到破坏 的全过程；在数值分析的基础上，通过简化方钢管混凝土组合截面的弯矩与轴力 及曲率关系，基于压渍理论导出了方钢管混凝土偏压柱承载力的简单解析公式 d 卜3 9 1 。1 9 9 6 年，韩林海、钟善桐采用有限元法对圆钢管混凝土构件在压弯扭及 其复合受力状态下的荷载与变形关系进行了分析，理论计算结果和试验结果吻合 较好，在此基础上提出了钢管混凝土构件承载力和刚度验算方法阳引。1 9 9 8 年 一2 0 0 0 年，同济大学的吕西林和余勇对轴心受压方钢管混凝土短柱进行了试验研 究，提出了三向受压混凝土的三维本构关系，并编制了三维非线性有限元程序进 行了分析一副。 2 0 0 1 年一2 0 0 2 年，西安建筑科技大学的何保康、周天华、杨晓冰根据温特有 效宽度公式和统一法则方法，给出了矩形钢管全截面有效时的b t 、h t 的限值； 对矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能进行了理论分析研究h 4 。4 5 1 。 2 0 0 2 年一2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的张耀春、王秋萍、曹宝珠等人，对2 6 根圆形、方形和八边形薄壁钢管普通混凝土短柱和薄壁钢管轻骨料混凝土短柱进 行了轴压实验。根据实验结果在确定了薄壁钢管壁冷弯后强度的提高值和屈曲系 数的取值后，在有效宽度理论基础上，通过对国外及自己实验数据的分析，回归 了薄壁钢管混凝土短柱的极限抗压承载力实用计算公式h6 1 。对薄壁钢管混凝土 短柱进行了理论分析，同时还对圆形、方形及八边形薄壁钢管混凝土短柱的荷载 位移关系进行了全过程模拟；提出了薄壁钢管混凝土长柱的承载力计算方法，并 考虑了钢板局部屈曲、初始弯曲和二阶效应的影响；对薄壁钢管混凝土长柱进行 了轴心受压和偏心受压试验研究；采用a n s y s 通过程序对薄壁钢管混凝土长柱进 行了有限元分析h 。对薄壁钢管混凝土长柱静力性能的试验研究，对其实验曲 线进行了系统的分析，回归了方形薄壁钢管混凝土长柱极限承载力公式，并在实 验研究结果的基础上对薄壁钢管混凝土长柱的工程应用进行了初步探索8 1 。 2 0 0 4 年，浙江大学的程晓东等人对5 组圆钢管混凝土偏压柱的非线性屈曲 承载力进行了三维有限元分析h 9 1 。2 0 0 5 年，清华大学的王志浩、成戒，对复合 方钢管混凝土短柱的轴压承载力进行了试验和研究，试验结果表明，在受压柱变 形的过程中，加劲肋有效地抵抗了管壁的屈曲，加肋复合方钢管混凝土柱的轴压 承载力有明显提高。用数值方法对加肋复合方钢管混凝土柱的轴力应变全过程进 行了计算。计算结果和试验结果吻合较好哺0 1 。 2 0 0 6 年，郭兰慧、张素梅等人采用有限条法分析了方钢管填充混凝土后的 弹性及弹塑性屈曲性能，考虑了钢板受均匀压应力作用和应力梯度变化两种情况， 计算了钢板的临界屈曲应力，分析了残余应力对临界屈曲应力的影响哺。王宏 7 铡竹混凝_ ：f f 在轴爪下局部厢曲的州论研究 伟、钟善桐、徐国林对空心钢管混凝土长柱轴压性能的试验研究，研究了空心率、 长细比和截面形式对空心钢管混凝土长柱承载力性能的影响，并对空心钢管混凝 土轴压长柱的破坏形式进行了分析。分析结果表明，空心钢管混凝土长柱的破坏 形态接近于空钢管长柱哺纠。 2 0 0 7 年，支正东等人对空心方钢管混凝土轴压力学性能的试验，试验表明， 方钢管圆孔混凝土短柱的核心混凝土达到一定厚度时，圆孔混凝土在径向能形成 较好的拱效应，可以有效地防止外壁钢管局部失稳破坏，使构件横向变形得到充 分发展，提高轴向承载力哺3 l 。 近十几年来，清华大学的韩林海等人结合现代钢管混凝土结构技术发展的需 要，对工程中常用的圆形和方形、矩形钢管混凝土结构的如下关键问题进行了探 索和研究，即：1 ) 一次加载下的性能；2 ) 长期荷载作用下的影响；3 ) 往复荷 载作用下的性能；4 ) 耐火极限和抗火设计方法；5 ) 火灾后的力学性能和损伤规 律；6 ) 施工阶段产生的钢管初应力的影响；7 ) 混凝土浇筑质量的影响；8 ) 新 型钢管混凝土结构的力学性能；9 ) 钢管混凝土结构节点的力学性能；1 0 ) 钢管 混凝土框架结构、混合结构的力学性能。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲。运用能量法，分别求出方 钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱在轴压下钢管壁的局部屈曲应力。还对用加劲肋 加强的四边简支板的稳定性问题进行讨论。 第一章绪论主要介绍钢管混凝土特点和钢管混凝土在国内外的发展概况及 应用，然后介绍国内外对钢管混凝土研究的现状。 第二章主要研究方钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲。对稳定性的概念和类 型以及判别准则的介绍，用能量法求解单向受压简支板的弹性屈曲荷载，用瑞利 一里兹法求解方钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲应力。 第三章主要研究圆钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲。介绍圆柱壳屈曲问题 的控制方程和圆柱壳的线性屈曲的控制方程，轴心受压圆柱壳的弹性屈曲，用能 量法求解圆钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲。 第四章主要研究用加劲肋加强板的屈曲。用能量法求解以下的情况：用纵向 加劲肋加强的双向均匀受压的四边简支板，用横向加劲肋加强的均匀受剪和受压 的四边简支板，用斜向加劲肋加强的均匀受剪的四边简支板。给出临界屈曲应力 的具体表达式，讨论加劲肋对四边简支板稳定性的影响。 8 硕十学位论文 第2 章矩形钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲 2 1 概述 矩形钢管混凝土柱具有节点构造简单、连接方便、抗弯性能好等优点，它用 于多层或高层民用建筑中。在轴心压力作用下，钢管混凝土柱处于一种复杂的应 力状态。矩形钢管混凝土结构工作的实质在于钢管及其核心混凝土问的相互作用 和协同互补。矩形钢管的角部对管内混凝土具有较强的约束作用，从而提高了管 内混凝土的轴向抗压强度。同时，由于混凝土的存在可以延缓或阻止钢管发生内 凹的局部屈曲。在长细比较大的钢管混凝土构件，构件的屈曲模态表现出很大的 不同，管内混凝土改变了钢管的局部屈曲模式，并抑制管壁局部屈曲的发展，钢 管材料局部进入强化，从而使钢管混凝土构件的局部稳定承载力和同等长度的空 钢管相比具有较大的提高陆鲥。 本章的主要目的是求解矩形钢管混凝土柱在轴压下的局部屈曲，用能量法求 解板件的临界屈曲应力，下面首先简要叙述一下相关的稳定性原理。 2 1 1 板壳稳定性的基本概念 板壳稳定性理论是固体力学的一个分支。它是研究板壳构件及其组合结构在 各种形式的压力作用下产生变形以至丧失原有平衡状态和承载能力的一门学科。 物体在外力作用下的平衡状态具有三种形式：稳定的平衡状态、不稳定的平衡状 态和随遇平衡状态。所谓稳定平衡是指物体受微小扰动使其在平衡位置附近作无 限小的偏离，当扰动去除后，若物体能回到它原来的平衡位置，这种平衡状态称 为稳定平衡状态。如果物体在扰动去除后，不能再回到它的原来平衡位置，反而 继续偏离下去，这种平衡状态称为不稳定平衡状态，又称丧失稳定状态，简称失 稳。随遇平衡状态通常是从稳定平衡状态向不稳定平衡状态过渡的中间状态哺引。 刚性小球在光滑面上的平衡状态有着不同的平衡性质。刚性小球在凹面最低 点a 处的平衡是稳定的，如图( 2 1 ) 所示；刚性球在凸面顶点a 处的平衡是不 稳定的，如图( 2 2 ) 所示；刚性球在水平面上任何点处的平衡是随遇的，如图 ( 2 3 ) 所示。 a 图2 1 稳定平衡 9 图2 2 不稳定平衡 钢l ：混凝 ：村在轴瓜下局部屈曲的理论研究 2 1 2 稳定问题的类型 稳定性问题一般可分为平衡分岔失稳、极值点失稳、跳跃失稳等三种m 引。 1 平衡分岔失稳 完善的，即无缺陷的、挺直的轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板都 属于平衡分岔失稳问题。属于这一类稳定性问题的还有理想的受弯构件及受压的 圆柱壳等。 以完善的轴心受压构件为例，当作用于如图( 2 4 a ) 所示构件端部的荷载p 在未达到某一限值时，构件始终保持着挺直的稳定平衡状态，构件的截面只承受 均匀的压应力，同时沿构件的轴线只产生相应的压缩变形。如果在其横向施加 一微小干扰，构件会呈现微弯曲，但是一旦撤去此干扰，构件又会立即恢复到原 有的直线平衡状态。如果作用于上端的荷载达到了限值p 。构件会突然发生弯 曲，这种现象称为屈曲，或者称为丧失稳定。这时如图( 2 4 b ) 所示构件由原来 挺直的平衡状态转变到与其相邻的伴有微小弯曲的平衡状态。荷载到达a 点后， 在图( 2 4 c ) 的荷载挠度曲线上呈现了两个可能的平衡途径，直线a c 和水平线 a b ( 或a d ) ，在同一点a 出现了岔道。构件所能承受的荷载限值p 。称为屈曲荷 载或称临界荷载。由于在同一个荷载点出现了平衡分岔现象，所以称为平衡分岔 失稳，也称第一类失稳。平衡分岔失稳还分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳两 种。 ( 1 ) 稳定分岔失稳 p c r p c r ( b ) 图2 4 轴心受压构件弯曲屈曲 l o ( c ) p f儿垲lilllh比帕l p 硕士学位论文 图( 2 4 c ) 荷载挠度曲线是按小挠度理论分析得到的。理论上轴心受压构件 屈曲后，挠度增加时荷载还略有增加，如图( 2 5 a ) 所示，屈曲后构件的荷载挠 度曲线是a b 或a d ，这时平衡状态是稳定的，属于稳定分岔失稳。不过大挠度理 论分析表明，荷载的增加量非常小而挠度的增加却很大，构件因有弯曲变形而产 生弯矩，在压力和弯矩的共同作用下，中央截面边缘纤维先开始屈服，随着塑性 发展，构件很快就达到极限状态，所以轴心受压构件屈曲以后的强度不能被利用。 对于四边有支承的薄板，其中面在均匀的压力p 的作用下达到屈曲荷载p 。， 后发生凸曲，由于其侧边同时产生薄膜力，对薄板的变形起了牵制作用，促使荷 载还能有较大程度增加，屈曲以后板的平衡状态也是稳定的，荷载挠度曲线如图 ( 2 5 b ) 的o a b 或0 a d ，由于板的极限荷载p 。远超过屈曲荷载p 。，所以可以利用 板的屈曲后强度。上面研究的轴心受压构件和薄板的失稳现象都是在理想条件下 发生的，实际的轴心受压构件和薄板并非是平直的，它们在受力之前都可能存在 微小弯曲变形，称为初弯曲或几何缺陷，初始缺陷使构件和板的极限荷载p 。有 所降低，其荷载挠度曲线不再有分岔点，而是如图( 2 5 a ) 和( 2 5 b ) 中的虚线 所示，但是对于具有稳定分岔失稳性质的构件来说，初始缺陷的影响较小，对于 薄板，即使有缺陷的影响，但其极限荷载仍可能高于屈曲荷载。 p p d !b d ； b 图2 5 稳定分岔失稳 ( 2 ) 不稳定分岔失稳 还有一类结构，在屈曲后只能在远比屈曲荷载低的条件下维持平衡状态。例 如承受均匀压力的圆柱壳，其荷载变形曲线如图( 2 6 ) 所示的0 a b 或o a d ，这 属于不稳定分岔失稳，这种屈曲形式也称为有限干扰屈曲；因为在极微小的不可 避免的有限干扰的作用下，圆柱壳在达到平衡分岔屈曲荷载之前，就可能由屈曲 钢锊j l d 凝十柞住轴j f i 卜局部属曲的理论明冗 前的稳定平衡状态跳跃到非邻近的平衡状态，如图中的曲线o c f b ，不经过理想的 分岔点a 。缺陷对这类结构的影响很大，使实际的极限荷载p 。远小于理论上的屈 曲荷载p 。，其实际的荷载一变形曲线如图中虚线所示。研究这类稳定问题的目的 是要探索小于屈曲荷载的安全可靠的极限荷载。 p 图2 6 不稳定分岔失稳 2 极值点失稳 偏心受压构件在轴线压力作用下产生弯曲变形，其荷载挠度曲线如图( 2 7 ) ， 在曲线的上升段o a b ，构件的挠度随荷载而增加，处于稳定平衡状态，而曲线上 的a 点表示构件中点的截面边缘纤维开始屈服，荷载继续增加时由于塑性向内扩 展，弯曲变形加快，图中曲线出现下降段b c ，表示维持平衡的条件是要减小构 件端部的压力，因而使构件处于不稳定平衡状态，曲线的极值点b 标志了此偏心 受压构件在弯矩作用的平面内已达到了极限状态，对应的p 。为构件的极限荷载。 由图( 2 7 ) 可知，极值点失稳的荷载挠度曲线只有极值点，没有出现两种变形 状态的分岔点，构件弯曲变形的性质始终如一，故称为极值点失稳，也称第二类 失稳。 实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴 线的初始偏心，因此其荷载挠度曲线呈现如图( 2 5 a ) 中虚线所示的极值点失稳 现象，与极值点对应的荷载p 。才是实际的轴心受压构件的极限荷载。 极值点失稳的现象是十分普遍的，如双向受弯构件和双向压弯构件发生弹 塑性弯扭失稳都是属于极值点失稳。 1 2 硕七学位论文 图2 7 不稳定分岔失稳 3 跳跃失稳 两端铰接较平坦的拱结构，在法向均布荷载q 的作用下有挠度w ，其荷