线性非均匀荷载作用下矩形钢管混凝土柱的局部屈曲分析

在工程结构领域，钢管混凝土柱作为一种高效的组合构件，在土木建筑中被广泛应用于承载力和延性要求较高的建筑结构中。随着高强度钢材和高强度混凝土材料的使用，钢管混凝土柱的壁厚有减薄的趋势，特别是在矩形钢管混凝土柱中，薄壁效应导致局部屈曲问题日益显著，对结构的承载力、延性和抗弯刚度产生负面影响。因此，对钢管混凝土柱在受线性非均匀荷载作用下的局部屈曲行为进行深入分析具有重要的实际意义和理论价值。 本研究由曹远军、黄明奎及羊金花三人共同完成，发表于重庆交通大学土木建筑学院和重庆邮电大学计算机科学与技术学院。文章围绕线性非均匀荷载作用下矩形钢管混凝土柱的局部屈曲问题，通过引入应力梯度系数，并应用伽辽金法（Galerkin method）推导出了矩形钢管混凝土柱局部屈曲的临界应力公式。 在引言部分，文章首先介绍了钢管混凝土构件的组成及优势，即钢板约束核心混凝土，形成三向受压状态，同时钢板还受到核心混凝土的支撑，防止内屈。这种相互作用为钢管混凝土构件提供了高刚度、高强度、高延性和较高的能量吸收能力。矩形钢管混凝土柱相较于圆钢管混凝土柱，抗弯性能较好，节点构造简单，施工方便。由于这些优点，矩形钢管混凝土结构在国外的应用已较为普遍。然而，工程实践中发现，在钢管混凝土结构中采用薄壁钢板虽然可以降低工程成本，但同时也会导致钢管管壁宽厚比增大，容易引发局部屈曲问题。 文章详细讨论了矩形钢管混凝土柱的约束机理，说明了在压力作用下，核心混凝土横向膨胀变形会使得矩形钢管截面中部管壁发生水平弯曲，而矩形钢管的转角处刚度较大，因此核心混凝土主要受到对角线方向的集中挤压力。文章通过分析得出，核心混凝土对钢管的横向变形约束作用较小，但转角处的约束作用较大，这种差异在局部屈曲时尤为明显。 为了更好地理解和分析局部屈曲现象，文章建立了数学模型，并基于伽辽金法推导屈曲荷载公式。通过合理的假设，将问题简化为一个刚性支承板局部屈曲的数学模型，并引入应力梯度系数以反映实际的应力分布。通过对挠度函数和屈曲微分方程的推导，结合边界条件，最终得到了矩形钢管混凝土柱局部屈曲的临界应力公式。 文章的数学模型显示，在钢管混凝土柱的局部屈曲过程中，四个纵向边没有发生位移和转角，故可简化为图示模型进行分析。这一模型反映了矩形钢管混凝土柱在局部屈曲时，转角处是主要的受力区域，而中间部分受力较弱。 综合上述内容，本研究得出的主要结论和知识点包括： 1. 钢管混凝土柱由高强度钢材和混凝土组成，具有良好的工程应用前景，但其壁薄效应会引发局部屈曲问题。 2. 局部屈曲问题会降低钢管混凝土柱的强度、延性和抗弯刚度，影响结构的整体性能。 3. 在矩形钢管混凝土柱中，局部屈曲现象更为突出，尤其是在高宽厚比的钢管管壁中。 4. 引入应力梯度系数并应用伽辽金法，有助于推导出矩形钢管混凝土柱局部屈曲的临界应力公式，为工程设计提供理论依据。 5. 数学模型显示转角处对核心混凝土的约束力较大，而中间部分相对较弱，这一特性在局部屈曲分析中需要特别注意。 本研究深入探讨了钢管混凝土柱在特定荷载作用下的局部屈曲问题，为实际工程设计和施工提供了重要的参考和理论支持。随着钢管混凝土结构在高层建筑和大跨度结构中的应用越来越广泛，对局部屈曲问题的研究将对保证结构安全和降低成本具有重要的实际意义。