圆钢管横向局部抗压承载力特性分析及计算理论
黄新;张大长
【摘 要】本文针对Q345圆钢管在横向局部压力荷载作用下的受力性能开展了非线性有限元分析，探讨了管径、壁厚及连接板尺寸对圆钢管横向局部抗压承载力的影响规律，明确了横向荷载作用下钢管受压区的变形行为，建立了圆钢管横向局部受力的计算模型并开展了理论分析，结合有限元分析结果给出了横向抗压承载力计算公式，为实际工程应用提供参考。有限元结果表明：在横向荷载作用下，管身受压处局部凹陷，两侧的管壁向外膨胀，连接板与管身间有空隙，变形模态为六塑性铰机构；增大壁厚或连接板尺寸与管径比值都可以提高钢管横向局部抗压刚度，增强其抵抗变形的能力，提高横向局部抗压承载力。%In order to investigate the local compressive bearing capacity of circular steel tube(Q345) under lateral load, nonlinear finite element analysis has been carried out. The influence laws of diameter, thickness and the size of connecting plate on the lateral local compressive capacity were discusd. The deformation behavior of circular steel tube under lateral load was identified. The calculation model of steel pipe under lateral load wa
s established and calculation theory was carried out. According to the simulated results, the formula of the local compressive bearing capacity of circular steel tube under lateral load was propod which provides a reference for application to the project. FEM analytical results show that the displacements of circular steel tube under lateral load are local dent which finally makes side tube walls expand outward, a gap exists between connecting plate and steel pipe. The deformation mode is six-plastic-hinge framework. The increas of wall thickness and ratio of the size of connecting plate to diameter contribute greatly to the increa of lateral local compressive stiffness which enhances the capacity for resisting deformation and improves lateral local compressive capacity.
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2016(033)005
【总页数】5页(P59-63)
【关键词】圆钢管;非线性有限元分析;六塑性铰机构;横向局部抗压承载力;计算理论
【作 者】黄新;张大长
【作者单位】南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816;南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816
【正文语种】中 文
【中图分类】TU392.3
近年来，钢管构件凭借风阻力系数小、截面抗弯刚度大、材料各向同性、稳定性好等优点在实际工程中得到了广泛应用，范围涉及房屋建设、桥梁结构、护堤和海洋平台等工程建设领域[1]。随着电力需求的不断增长，大容量、高电压等级输电线路迅速发展，钢管结构也广泛应用于输电塔结构。
图1所示横向夹紧连接(如抱箍等)是圆钢管结构的一种简洁、高效连接方法，如大跨越输电塔的电梯井筒通常采用抱箍与塔架整体结构相连接。该连接方式操作简单，传力路径比较清晰，主管除了承受轴向拉力或轴向压力外，同时承受横向连接杆件横向荷载及其连接件的局部横向压力。但是，关于钢管力学性能的研究主要集中在轴压稳定承载力方面，横向
承载特性多研究横向撞击、冲击波等动力荷载作用[2～7]，目前尚很少见到圆钢管横向局部抗压承载力特性的相关研究。
1.1 分析对象
本文对圆钢管在横向局部荷载作用下的承载力特性研究主要集中在管径D、壁厚T及连接板边长a对其受力性能及极限承载力的影响上。钢管的径厚比限定在60以内，钢管长度为10D以消除管长对局部受压区域的影响，试件细部尺寸见表1。
1.2 有限元分析模型
1.2.1 分析模型及材料参数
本文采用有限元分析软件ANSYS对Q345圆钢管横向局部抗压承载力特性进行模拟分析，采用8结点三维实体单元solid185来模拟钢管和连接板。钢管屈服强度为345 N/mm2，弹性模量E为2.06×105 N/mm2，泊松比为0.3，采用理想弹塑性模型，材料的屈服准则遵守Von-Mis屈服准则及相关的流动法则。分析时考虑材料非线性和几何非线性。建模时对连接板作一定的简化，连接板与管身间的接触分别采用target170单元和contact174单元建
立接触对，摩擦系数取0.35。有限元模型如图2所示。
1.2.2 加载方法及约束条件
有限元分析中，上下连接板置于钢管中心，下部连接板采用固结，上部连接板约束X、Z向位移，钢管两端自由。加载时，通过对上部连接板施加Y向位移来实现加载。
1.3 有限元模型验证
本文以班贵振[8]的钢质管道挤压变形试验中的Φ325×6×3675的X60钢管构件为原型，开展有限元模型验证(见图3)，有限元结果与试验结果的对比如图4所示，模拟结果与试验值较吻合，表明文中模型可用于圆钢管横向局部抗压承载力特性的参数分析。
2.1 径厚比对承载力的影响
2.1.1 保持壁厚不变，改变管径
有限元参数分析取值按照表1选取，管径D在60～508 mm变化，壁厚为10 mm，管长为10D，连接板边长为0.5D，模拟得到钢管的荷载-位移曲线如图5所示。
由图5可知：(1)在荷载较小时，P1系列试件的荷载-位移曲线几乎是重合的，表明当连接板尺寸与管径比值一定时，弹性范围内，管身横向局部抗压刚度由壁厚决定，横向局部抗压刚度约为1.35×105 N/mm；(2)钢管横向局部抗压承载力与管径有关，当管径较小时承载力较低；随着管径的增大，承载力也随之增大；(3)从曲线下降段的趋势可以看出，随着管径的增加，承载力下降趋势减缓；(4)当连接板尺寸与管径比值一定时，钢管的横向局部抗压承载力与管径近似成线性关系。
2.1.2 保持管径不变，改变壁厚
有限元参数分析取值按照表1选取，壁厚T在6～36 mm变化，管径为325 mm，管长为10D，连接板边长为0.5D，模拟得到钢管的荷载-位移曲线如图6所示。
由图6可知：(1)进一步验证钢管横向局部抗压刚度由壁厚决定，P2系列的横向局部抗压刚度分别为0.74×105、0.99×105、1.35×105、1.83×105、2.49×105、6.94×105 N/mm；(2)增加壁厚可以大幅提高横向局部抗压刚度，增强管身抵抗变形的能力，从而横向局部抗压承载力有较大的提升；(3)增加壁厚的同时，延性有所降低；(4)对比壁厚为6、18、36 mm的承载力，后者承载力较壁厚为6 mm时分别提高了2.46、7.65倍。
2.2 连接板尺寸a的影响
有限元参数分析取值按照表1选取，连接板尺寸a在0.35D～0.6D变化，管径为325 mm，壁厚为10 mm，管长为10D，模拟得到钢管的荷载-位移曲线如图7所示。
由图7可以看出当连接板边长a逐渐增大时，管身的受压区也在增大，横向局部抗压承载力也进一步增大，连接板边长在0.35D～0.45D时，对承载力提高较小；在0.45D～0.55D时，承载力的提高比较大。但当连接板边长a大于0.55D时，钢管横向局部受压承载力不再增加。因此可以确定当连接板尺寸与管径比值大于0.55时，计算钢管局部抗压承载力取连接板尺寸与管径比值为0.55。
钢管达到横向局部抗压极限承载力时，管身受压处局部凹陷，两侧的管壁向外膨胀，连接板与管身间有空隙，钢管与连接板接触角点有轻微的凹陷，变形如图8所示。
钢管与连接板的接触应力云图是判断横向受力模型的重要因素。当荷载为0.25Fu、0.5Fu、0.75Fu、Fu时(Fu为钢管横向局部抗压极限承载力(N))，管身与连接板的接触应力云图分别如图9所示，可以看出：(1)除四个角点因局部凹陷产生应力集中，其他区域的应
力可近似看为均匀分布，因此其所受荷载为沿长度方向分布的均匀线荷载；(2)当达到极限承载力时，受压区沿管身长度方向的变形并不一致，表现为管身屈服后接触应力的突变。
Deruntz[9]等对单个钢管压扁的大变形问题进行了试验及理论分析，提出了四塑性铰机构理论，且四个铰以四分之一圆均匀对称分布。顾红军[10]等对多排钢管在冲击波作用下的大变形规律进行了研究，根据多排钢管受横向冲击塑性行为，建立了八塑性铰机构的理论。
本文分析结果表明：钢管在横向局部受压过程中的变形形态既不是四塑性铰机构，也不是八塑性铰机构，而是六塑性铰机构。图10为荷载分别为屈服荷载Fy、极限荷载Fu时，有限元所得管中心截面应力比云图。
由图10可知，钢管横向局部受压的破坏形态为六塑性铰机构。随着荷载的施加，B点先达到屈服。当荷载继续增大时，顶部加载点A也会进入塑性状态，出现塑性铰。当到达极限荷载时，顶部两塑性铰长度增长，进而形成塑性区。
