空心圆钢管柱滞回性能分析

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1、CMYK工程试验与研究空心圆钢管柱滞回性能分析王珊珊（华侨大学）【摘要】近年来，由于空心圆钢管自重轻、刚度相对较大、抗弯及抗扭性能好等优点在高层钢结构中作为柱子的应用越来越广泛。虽然目前有很多关于钢构件滞回性能研究成果，但对于圆钢管柱的滞回性能研究相对较少，因此有必要开展此类研究。分析国内外的研究成果,确定了适于圆钢管柱滞回曲线理论计算的合理加卸载模式。以悬臂圆钢管柱为分析对象，设计了7组不同轴压比的构件，采用位移加载，对低周反复荷载作用下的滞回性能进行了研究。对比分析得到的一系列滞回曲线，得出随着轴压比增大，空心圆钢管柱滞回曲线面积减小、耗能能力变弱

2、的规律。最后，根据数值试验，提出了在高层建筑中采用空心圆钢管柱时限制轴压比的建议。【关键词】空心圆钢管；悬臂柱；轴压比；滞回性能；耗能能力1前言2.2圆钢管柱截面几何尺寸取钢管截面为A600×20，截面形式如图2所示。设与其他钢结构构件相比，圆钢管的截面任意对称且计了五组对比模型，其中圆钢管柱的截面尺寸完全相自重轻、刚度较大，抗压、抗扭及抗弯性能良好。通常钢同，直径统一取为600mm，厚度取为20mm，控制径厚比圆管可以用作屋架、厂房柱等结构，与普通压制型钢相[1]D/t为30，其中7组模型的轴压比n分别为0、0.1、[1]比，可以节约钢材20%以上。

3、小直径的钢管在建筑工程0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。具体尺寸如表1所示。表中构件领域内应用较为广泛，被大量应用于网架、网壳上。采用编号xx-yy，其中“xx”表示径厚比，“yy”表示轴压比。圆钢管作为单独的承力构件并不多，但是随着新型结构的出现，结构造型的需求，需要营造出结构的轻盈并减表1理论计算构件汇总轻自身重量。在某些实际结构上也采用空心圆钢管进行构件DTD/t截面面积Afy轴压比计算长度编号（mm）（mm）（mm2）（kN）（n）μl（m）受力，例如中国平安金融大厦的上层承力构件、成都双30-00600203036442125720.0

4、3.3[1]流机场屋盖受力构件等均采用了空心圆钢管。30-01600203036442125720.13.3[1]本文主要是参考文献对悬臂空心圆钢管柱的滞30-02600203036442125720.23.3回性能进行分析。主要对比分析了相同径厚比、相同计30-03600203036442125720.33.3算长度下，轴压比不同时，圆钢管柱的滞回性能。30-04600203036442125720.43.330-05600203036442125720.53.32构件设计30-06600203036442125720.63.32.1计算简图本次数值

5、模拟试验中，对圆钢管悬臂压弯构件进行滞回性能分析。悬臂构件的自由端分别作用轴向压力和竖向荷载，在计算分析过程中，保持轴力为某一个常值，而竖向荷载用低周反复荷载交替变化。圆钢管悬臂压弯构件的计算简图如图1所示。图2圆钢管截面（mm）3钢材本构模型3.1材料特性本次报告中圆钢管采用Q345钢，根据文献[1]，确定图1悬臂圆钢管柱受力简图其材料特性为：CMYK工程试验与研究5E=2.06×10MPa；表2圆钢管柱屈服位移υ=0.3；屈服位移△y屈服位移△y构件编号构件编号（mm）（mm）fy=345MPa；30-0014.830-0410.9取强度化段为：3

6、0-0113.830-059.83E′=0.01E=2.06×10MPa30-0212.830-068.83.2本构模型的选择30-0311.8--本文针对圆钢管柱承受反复循环荷载作用的特点，注：表中30-02，30-04，30-06的数据引自文献[1]，其余数据根据文献[1]采用双线性模型[4]。图3所示的双线性本构模型,骨架的方法在ADINA中单调加载后经过综合考虑后获得。线由两段组成,即弹性段和强化段,可以较好地反映圆5滞回性能分析钢管钢材的应力-应变关系滞回特性。加卸载刚度采用初始弹性模量ES,强化段的刚度取值为0.01ES。5.1滞回曲线构件

7、编号30-00～30-06的滞回曲线见图5所示。从图5中(a）～(g）的滞回曲线中可以得出以下规律：图3应力-应变双线性模型4有限元模型及参数确定(a）30-00滞回曲线(b）30-01滞回曲线4.1圆钢管柱有限元模型本次分析采用ADINA软件。建模时采用壳单元，该[3]单元能很好的模拟该圆钢管的特性。圆钢管柱的底部边界条件为固结，顶部自由，对整个模型划分单元。一共划分了1188个单元。经过试算，具有较好的计算速度与精度。圆钢管柱的有限元模型如图4所示。(c）30-02滞回曲线(d）30-03滞回曲线图4圆钢管柱的有限元模型(e）30-04滞回曲线(f

8、）30-05滞回曲线4.2圆钢管柱的屈服位移的确定文献[2]中，对于构件的屈服位移的确定进行了