鋼結(jié)構(gòu)用的大直徑圓鋼管非線性穩(wěn)定分析_圖文

1、第11卷第22期2011年8月16711815(201122-5331-04科學(xué)技術(shù)與工程Science Technology and Engineering建筑技術(shù)鋼結(jié)構(gòu)用的大直徑圓鋼管非線性穩(wěn)定分析肖文麗(大慶石化工程有限公司土建室,大慶163417摘要為確定大直徑中空夾層砼柱中內(nèi)鋼管的穩(wěn)定性能和臨界荷載,對5m 長的圓鋼管開展了有限元特征值屈曲分析,獲得屈曲臨界荷載。在此基礎(chǔ)上,采用弧長法對圓鋼管進(jìn)行了非線性失穩(wěn)分析,考慮了幾何和材料雙重非線性的影響,得到了圓鋼管結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的全過程荷載-位移曲線以及單元的應(yīng)力分布圖。應(yīng)用兩倍彈性斜率法和雙切線交點(diǎn)法求得臨界荷載,與理論計算結(jié)果相比稍高,

2、可以看出理論公式計算結(jié)果是偏于安全的。最后提出了圓鋼管抗失穩(wěn)的四點(diǎn)措施。關(guān)鍵詞特征值屈曲幾何非線性分析弧長法中圖法分類號TU331;文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 2011年4月25日收到黑龍江省自然科學(xué)基金面上項目(E200811和 黑龍江省自然科學(xué)基金重大項目(ZD200806資助第一作者簡介:肖文麗(1963,女,結(jié)構(gòu)工程師,研究方向:結(jié)構(gòu)工程。中空夾層砼柱中薄壁內(nèi)鋼管由于機(jī)械或夾層混凝土擠壓作用在整體或局部區(qū)域不可避免地會產(chǎn)生壓應(yīng)力,當(dāng)壓應(yīng)力超過臨界荷載時則會引起結(jié)構(gòu)整體或局部失穩(wěn)13。對于不同形式的鋼管結(jié)構(gòu),載荷引起的失穩(wěn)形狀是不同的,主要與鋼管的長短有關(guān)。研究薄壁內(nèi)圓鋼管的穩(wěn)定性目的在于確定圓鋼管

3、的臨界載荷及其相應(yīng)的失穩(wěn)模態(tài),以便完善加強(qiáng)措施,提高結(jié)構(gòu)的整體抗失穩(wěn)能力35。對5m 長的圓鋼管開展了線性屈曲分析,在此基礎(chǔ)上,采用弧長法進(jìn)行了非線性失穩(wěn)分析,得到了圓鋼管結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的全過程荷載-位移曲線以及單元的應(yīng)力分布圖,應(yīng)用兩倍彈性斜率法和雙切線交點(diǎn)法求得臨界荷載,與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比,最后提出圓鋼管抗失穩(wěn)的幾點(diǎn)措施。1有限元模型11計算參數(shù)薄壁圓鋼管直徑為1000mm ,壁厚10mm ,計算長度取為5000mm ,材料為Q235鋼材,彈性模量和泊松比如文獻(xiàn)6所示。12有限元建模采用ANSYS6中Solid45單元模擬圓鋼管的殼壁,圓周方向線段的剖分?jǐn)?shù)取為20份,筒體軸向剖分?jǐn)?shù)取為

4、40份,厚度方向線段的剖分?jǐn)?shù)取為1份,由于筒體兩端可以得到剛性構(gòu)件的加強(qiáng),兩端可以保持圓形截面的形狀,為此只需約束環(huán)向位移,此外筒體固定端約束軸向位移,筒體外表面施加外壓力模擬夾層混凝土的擠壓作用。建立的壓力圓鋼管的有限元模型如圖1所示。圖1圓鋼管的有限元模型2特征值屈曲分析圓鋼管結(jié)構(gòu)線性屈曲分析的特征值方程為(K 0+K =0(1式(1中,為屈曲特征值;為特征位移向量;K 0為圓鋼管的彈性剛度矩陣;K 為初應(yīng)力矩陣。特征值屈曲分析的特點(diǎn)是計算速度快,在進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析之前可以利用其先了解屈曲形狀,預(yù)測屈曲載荷的上限。采用ANSYS 有限元中Block Lanczos 方法6求解了圓鋼管的前

5、3階特征值,如表1所示。表1三種屈曲模態(tài)對應(yīng)的屈曲臨界荷載屈曲模態(tài)123屈曲臨界荷載/(N ·mm 21241124212603非線性屈曲分析31幾何非線性屈曲分析線性屈曲分析得到的屈曲荷載,沒有考慮結(jié)構(gòu)的幾何初始缺陷,可能過高估計結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,為此需要進(jìn)一步進(jìn)行大位移幾何非線性整體穩(wěn)定分析。采用ANSYS 中的弧長法進(jìn)行圓鋼管的非線性分析。通過時間歷程后處理6可得圓鋼管跨中截面外側(cè)8個節(jié)點(diǎn)的荷載位移曲線,8個點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號見圖2。有限元分析得到的8個點(diǎn)荷載與位移的關(guān)系曲線如圖3所示 。圖28個節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號圖3中U X 、U Y 分別表示X 方向和Y 方向的位移。從圖中可以看出,位

6、于坐標(biāo)軸上的節(jié)點(diǎn)(6424、761、6463和2282均沿著坐標(biāo)軸變形,而其他四個節(jié)點(diǎn)2個方向均有變形,節(jié)點(diǎn)2282為最大位移點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)761和2282、節(jié)點(diǎn)771和2272以及節(jié)點(diǎn)751和2292變形均是對稱的。非線性屈曲模態(tài)如圖4所示 。圖38節(jié)點(diǎn)的的荷載-位移曲線2335科學(xué)技術(shù)與工程11卷 圖4非線性屈曲模態(tài)32考慮材料和幾何雙重非線性分析考慮材料和幾何的雙重非線性分析可以得到更接近工程實際的結(jié)果,材料的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性,屈服強(qiáng)度取為235MPa。其他操作同節(jié)31。得到的單元應(yīng)力云圖如圖5所示。通過單元的應(yīng)力圖可以看出材料尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度,始終處于彈性狀態(tài),雙重非線性分析結(jié)果與僅考慮幾

7、何非線性的分析結(jié)果是一致的?？梢娫趫A鋼管穩(wěn)定分析中幾何非線性占主導(dǎo)作用。4臨界荷載的對比分析通過荷載-位移曲線確定臨界荷載的方法有2種,即兩倍彈性斜率法和雙切線交點(diǎn)法7。對于泊松比為03的短圓筒鋼管的臨界壓力可按下式計算Pcr =259ED(25LD(2式(2中為鋼管的壁厚;L為鋼管的長度;D0為鋼管的外徑;E為鋼材的彈性模量。采用上述兩種作圖法和計算公式,依據(jù)位移最大節(jié)點(diǎn)2282的荷載-位移曲線,可求得圓鋼管的臨界荷載值如表2所示。表2圓鋼管的臨界荷載值采用的方法臨界荷載/(N·mm2誤差/%特征值屈曲解124124兩倍彈性斜率法113513雙切線交點(diǎn)法107064解析解1006

8、0圖5三個方向的單元應(yīng)力云圖333522期肖文麗:鋼結(jié)構(gòu)用的大直徑圓鋼管非線性穩(wěn)定分析通過對比可知,特征值屈曲解是臨界荷載的上限,理論計算值最小,偏于安全,因此在實際工程設(shè)計中,采用理論公式計算是合理的。有限元建模過程中未考慮鋼材壁厚、材質(zhì)、焊縫等缺陷對臨界荷載的不利影響,因此有限元分析結(jié)果偏大一些。5內(nèi)鋼管抗失穩(wěn)措施由前面的分析我們可知,內(nèi)鋼管失穩(wěn)時,材料沒有達(dá)到屈服,材料本身的強(qiáng)度還有很大的利用空間,只要滯后內(nèi)鋼管的失穩(wěn),就可提高內(nèi)鋼管的臨界荷載。因此,為改善中空夾層砼柱內(nèi)鋼管的穩(wěn)定性能,可在內(nèi)鋼管的內(nèi)部相隔一定的距離設(shè)置環(huán)向和豎向加強(qiáng)區(qū);也可在內(nèi)鋼管內(nèi)部相隔一定距離設(shè)置水平內(nèi)撐;對于直徑

9、和高度很大的中空夾層混凝土柱,可在夾心混凝土中布置與內(nèi)外鋼管焊接的鋼板肋。6結(jié)論通過研究,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。(1在圓鋼管非線性穩(wěn)定分析中,采用弧長法可很好地跟蹤得到荷載-位移全過程曲線。(2特征值屈曲分析和非線性屈曲分析的臨界荷載均大于理論計算結(jié)果,采用理論公式計算臨界荷載是偏于安全的。(3圓鋼管失穩(wěn)過程中,幾何非線性占主導(dǎo)作用,材料未達(dá)到屈服。(4提出具有可操作性的中空夾層砼柱內(nèi)鋼管抗失穩(wěn)措施。參考文獻(xiàn)1Schindler S,Zeman J LStress concentration factors of nozzle-sphere connectionsInternational Jou

10、rnal of Pressure Vessels and Piping, 2003,80:87952臧少鋒,錢才富超大型真空容器非線性穩(wěn)定分析北京化工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版,2009;(365:88913任國棟,孔春元,任秀玲基于ANSYS的壓力容器多變量優(yōu)化設(shè)計機(jī)械工程與自動化,2010;(1:68704胥曉東,劉燕,王威強(qiáng)壓力容器的無量綱設(shè)計法及其應(yīng)用(II山東大學(xué)學(xué)報工學(xué)版,2009;39(6:1011045丁昌,汪榮順ANSYS在低溫壓力容器應(yīng)力分析與優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用低溫與超導(dǎo),2009;35(6:4554576郝文化ANSYS土木工程應(yīng)用實例北京:中國水利水電出版社,20057丁伯民美

11、國壓力容器規(guī)范分析ASME VIII-1和VIII-2上海:華東理工大學(xué)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