钢结构用的大直径圆钢管非线性稳定分析_图文

1、第11卷第22期2011年8月16711815(201122-5331-04科学技术与工程Science Technology and Engineering建筑技术钢结构用的大直径圆钢管非线性稳定分析肖文丽(大庆石化工程有限公司土建室,大庆163417摘要为确定大直径中空夹层砼柱中内钢管的稳定性能和临界荷载,对5m 长的圆钢管开展了有限元特征值屈曲分析,获得屈曲临界荷载。在此基础上,采用弧长法对圆钢管进行了非线性失稳分析,考虑了几何和材料双重非线性的影响,得到了圆钢管结构整体稳定的全过程荷载-位移曲线以及单元的应力分布图。应用两倍弹性斜率法和双切线交点法求得临界荷载,与理论计算结果相比稍高,

2、可以看出理论公式计算结果是偏于安全的。最后提出了圆钢管抗失稳的四点措施。关键词特征值屈曲几何非线性分析弧长法中图法分类号TU331;文献标志码 A 2011年4月25日收到黑龙江省自然科学基金面上项目(E200811和 黑龙江省自然科学基金重大项目(ZD200806资助第一作者简介:肖文丽(1963,女,结构工程师,研究方向:结构工程。中空夹层砼柱中薄壁内钢管由于机械或夹层混凝土挤压作用在整体或局部区域不可避免地会产生压应力,当压应力超过临界荷载时则会引起结构整体或局部失稳13。对于不同形式的钢管结构,载荷引起的失稳形状是不同的,主要与钢管的长短有关。研究薄壁内圆钢管的稳定性目的在于确定圆钢管

3、的临界载荷及其相应的失稳模态,以便完善加强措施,提高结构的整体抗失稳能力35。对5m 长的圆钢管开展了线性屈曲分析,在此基础上,采用弧长法进行了非线性失稳分析,得到了圆钢管结构整体稳定的全过程荷载-位移曲线以及单元的应力分布图,应用两倍弹性斜率法和双切线交点法求得临界荷载,与理论计算结果进行了对比,最后提出圆钢管抗失稳的几点措施。1有限元模型11计算参数薄壁圆钢管直径为1000mm ,壁厚10mm ,计算长度取为5000mm ,材料为Q235钢材,弹性模量和泊松比如文献6所示。12有限元建模采用ANSYS6中Solid45单元模拟圆钢管的壳壁,圆周方向线段的剖分数取为20份,筒体轴向剖分数取为

4、40份,厚度方向线段的剖分数取为1份,由于筒体两端可以得到刚性构件的加强,两端可以保持圆形截面的形状,为此只需约束环向位移,此外筒体固定端约束轴向位移,筒体外表面施加外压力模拟夹层混凝土的挤压作用。建立的压力圆钢管的有限元模型如图1所示。图1圆钢管的有限元模型2特征值屈曲分析圆钢管结构线性屈曲分析的特征值方程为(K 0+K =0(1式(1中,为屈曲特征值;为特征位移向量;K 0为圆钢管的弹性刚度矩阵;K 为初应力矩阵。特征值屈曲分析的特点是计算速度快,在进行非线性稳定分析之前可以利用其先了解屈曲形状,预测屈曲载荷的上限。采用ANSYS 有限元中Block Lanczos 方法6求解了圆钢管的前

5、3阶特征值,如表1所示。表1三种屈曲模态对应的屈曲临界荷载屈曲模态123屈曲临界荷载/(N ·mm 21241124212603非线性屈曲分析31几何非线性屈曲分析线性屈曲分析得到的屈曲荷载,没有考虑结构的几何初始缺陷,可能过高估计结构的整体稳定性,为此需要进一步进行大位移几何非线性整体稳定分析。采用ANSYS 中的弧长法进行圆钢管的非线性分析。通过时间历程后处理6可得圆钢管跨中截面外侧8个节点的荷载位移曲线,8个点的节点号见图2。有限元分析得到的8个点荷载与位移的关系曲线如图3所示 。图28个节点的节点编号图3中U X 、U Y 分别表示X 方向和Y 方向的位移。从图中可以看出,位

6、于坐标轴上的节点(6424、761、6463和2282均沿着坐标轴变形,而其他四个节点2个方向均有变形,节点2282为最大位移点。节点761和2282、节点771和2272以及节点751和2292变形均是对称的。非线性屈曲模态如图4所示 。图38节点的的荷载-位移曲线2335科学技术与工程11卷 图4非线性屈曲模态32考虑材料和几何双重非线性分析考虑材料和几何的双重非线性分析可以得到更接近工程实际的结果,材料的本构关系采用双线性,屈服强度取为235MPa。其他操作同节31。得到的单元应力云图如图5所示。通过单元的应力图可以看出材料尚未达到屈服强度,始终处于弹性状态,双重非线性分析结果与仅考虑几

7、何非线性的分析结果是一致的。可见在圆钢管稳定分析中几何非线性占主导作用。4临界荷载的对比分析通过荷载-位移曲线确定临界荷载的方法有2种,即两倍弹性斜率法和双切线交点法7。对于泊松比为03的短圆筒钢管的临界压力可按下式计算Pcr =259ED(25LD(2式(2中为钢管的壁厚;L为钢管的长度;D0为钢管的外径;E为钢材的弹性模量。采用上述两种作图法和计算公式,依据位移最大节点2282的荷载-位移曲线,可求得圆钢管的临界荷载值如表2所示。表2圆钢管的临界荷载值采用的方法临界荷载/(N·mm2误差/%特征值屈曲解124124两倍弹性斜率法113513双切线交点法107064解析解1006

8、0图5三个方向的单元应力云图333522期肖文丽:钢结构用的大直径圆钢管非线性稳定分析通过对比可知,特征值屈曲解是临界荷载的上限,理论计算值最小,偏于安全,因此在实际工程设计中,采用理论公式计算是合理的。有限元建模过程中未考虑钢材壁厚、材质、焊缝等缺陷对临界荷载的不利影响,因此有限元分析结果偏大一些。5内钢管抗失稳措施由前面的分析我们可知,内钢管失稳时,材料没有达到屈服,材料本身的强度还有很大的利用空间,只要滞后内钢管的失稳,就可提高内钢管的临界荷载。因此,为改善中空夹层砼柱内钢管的稳定性能,可在内钢管的内部相隔一定的距离设置环向和竖向加强区;也可在内钢管内部相隔一定距离设置水平内撑;对于直径

9、和高度很大的中空夹层混凝土柱,可在夹心混凝土中布置与内外钢管焊接的钢板肋。6结论通过研究,得到以下几点结论。(1在圆钢管非线性稳定分析中,采用弧长法可很好地跟踪得到荷载-位移全过程曲线。(2特征值屈曲分析和非线性屈曲分析的临界荷载均大于理论计算结果,采用理论公式计算临界荷载是偏于安全的。(3圆钢管失稳过程中,几何非线性占主导作用,材料未达到屈服。(4提出具有可操作性的中空夹层砼柱内钢管抗失稳措施。参考文献1Schindler S,Zeman J LStress concentration factors of nozzle-sphere connectionsInternational Jou

10、rnal of Pressure Vessels and Piping, 2003,80:87952臧少锋,钱才富超大型真空容器非线性稳定分析北京化工大学学报(自然科学版,2009;(365:88913任国栋,孔春元,任秀玲基于ANSYS的压力容器多变量优化设计机械工程与自动化,2010;(1:68704胥晓东,刘燕,王威强压力容器的无量纲设计法及其应用(II山东大学学报工学版,2009;39(6:1011045丁昌,汪荣顺ANSYS在低温压力容器应力分析与优化设计中的应用低温与超导,2009;35(6:4554576郝文化ANSYS土木工程应用实例北京:中国水利水电出版社,20057丁伯民美

11、国压力容器规范分析ASME VIII-1和VIII-2上海:华东理工大学出版社,1995Nonlinear Stability Analysis on Large-diameterSteel Tube Used in Steel StructuresXIAO Wen-li(Civil Architecture,Daqing petroleum Chemical Engineering CO,LTD,Daqing163417,PRChina;AbstractTo determine stability performance and the critical load of large-diam

12、eter steel tube used in Hollow sandwich concrete columns,this paper carried out the finite element linear buckling analysis for5meters long steel tube and obtained buckling critical loadThen performed the nonlinear instability analysis by the arc-length method and obtained the load-displacement curves of the overall stability of steel tube structureThe critical load can be got by twice the elastic slope method and double-tangent intersection method,and the loads are slightly higher than the result of the theoretical calculation,so the result of the theoretical calc