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2019 Volume 44 Issue 4
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Ce LIANG, Yu-er YANG, Ke QIAO, et al. Investigation into Effect of Steel Strength on Buckling Strength of Prestressed Stayed Steel Columns[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(4): 106-111. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.04.018
Citation: Ce LIANG, Yu-er YANG, Ke QIAO, et al. Investigation into Effect of Steel Strength on Buckling Strength of Prestressed Stayed Steel Columns[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2019, 44(4): 106-111. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2019.04.018

Investigation into Effect of Steel Strength on Buckling Strength of Prestressed Stayed Steel Columns

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  • Corresponding author: Jun YUAN
  • Received Date: 15/09/2018
    Available Online: 20/04/2019
  • MSC: TU391

  • The load carrying capacities of axial compressed steel columns can be significantly enhanced by introducing stays and crossarms. In this current work, ABAQUS has been adopted to analyze the stability behavior of prestressed stayed steel columns using linear and nonlinear buckling analysis. The effects of steel strength of the capacities of prestressed stayed column with different crossarm length and stay diameters have been investigated. It has been demonstrated that the effect of steel strength can be ignored when the buckling mode is symmetric, however, the load carrying capacity can be considerably improved by steel strength when the buckling mode is anti-symmetric.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Investigation into Effect of Steel Strength on Buckling Strength of Prestressed Stayed Steel Columns

    Corresponding author: Jun YUAN

Abstract: The load carrying capacities of axial compressed steel columns can be significantly enhanced by introducing stays and crossarms. In this current work, ABAQUS has been adopted to analyze the stability behavior of prestressed stayed steel columns using linear and nonlinear buckling analysis. The effects of steel strength of the capacities of prestressed stayed column with different crossarm length and stay diameters have been investigated. It has been demonstrated that the effect of steel strength can be ignored when the buckling mode is symmetric, however, the load carrying capacity can be considerably improved by steel strength when the buckling mode is anti-symmetric.

  • 预应力撑杆钢柱是通过在细长受压钢柱中引入撑杆和预应力索,来提高其稳定承载能力的钢结构构件.对拉索施加预应力后,撑杆会对中心柱形成侧向支撑,从而减小中心柱的计算长度,以提升其稳定性能[1].由于稳定性好、造型美观、用料节省,预应力撑杆钢柱在国内外的工程实践中得到广泛地应用.

    自上世纪70年代以来,国内外学者对预应力撑杆钢柱展开了大量的研究.文献[2]对预应力撑杆钢柱的屈曲荷载进行了研究,分析表明,预应力撑杆钢柱在仅沿柱高布置一层撑杆的情况下,其屈曲荷载可以达到相应普通受压钢柱欧拉荷载的7倍以上.文献[3]推导了单层预应力撑杆钢柱屈曲荷载和拉索初始预张力的关系.文献[4]对沿柱高设置多层撑杆的预应力撑杆钢柱进行了研究,其研究表明,增加撑杆层数可以提升此类构件的屈曲荷载,但也使得其屈曲模态更加复杂.文献[5]研究了初始几何缺陷对预应力撑杆钢柱承载能力的影响.文献[6-7]研究发现,预应力撑杆钢柱不同阶屈曲荷载可能相当接近,并会发生不同屈曲模态之间相互影响的相关屈曲现象.文献[8]对设置双层撑杆的预应力撑杆钢柱相关屈曲展开了研究,结果表明此类双层撑杆结构可忽略相关屈曲影响.文献[9-10]对高性能钢材的单层预应力撑杆钢柱展开了研究,发现提高钢材强度后,预应力撑杆钢柱的稳定承载能力有所提高,但是这项研究仅是针对沿着柱高设置一层撑杆的情形展开的,且并未考虑撑杆长度、拉索直径和屈曲模态的影响.

    本文以设置双层撑杆的预应力撑杆钢柱为研究对象,通过有限元软件ABAQUS进行数值分析,重点考察采用不同强度等级的钢材时,预应力撑杆钢柱的稳定性能,并分析其影响因素.

1.   分析模型
  • 图 1为本文研究的预应力撑杆钢柱模型示意图,其中撑杆设置在柱高三等分点位置,柱和撑杆采用相同的圆管截面,其外径和壁厚分别为38.1 mm和6.35 mm.柱和撑杆采用的材料为钢材,其弹性模量为206 000 N/mm2,而拉索的弹性模量为160 000 N/mm2.本文分析时柱长设置为5 100 mm,中心柱与撑杆的连接形式为刚接,柱端约束形式为铰接约束,轴心受压荷载作用于柱上端.有限元分析时,柱和撑杆采用梁单元模拟,而预应力索采用桁架单元模拟.

    根据撑杆长度和拉索直径的不同,本文共选取4个不同的模型进行研究,模型参数如表 1所示.其中,模型1和模型2的拉索直径为1.6 mm,模型3和模型4的拉索直径为8.0 mm;模型1的撑杆长度为255 mm,模型2和模型3的撑杆长度相同均为510 mm,模型4的撑杆长度为765 mm.

    如前所述,本文重点研究钢材强度对预应力撑杆钢柱稳定性能的影响.为此,对于表 1所示的4种模型,本文对柱和撑杆均采用碳素结构钢Q235以及低合金高强度结构钢Q345,Q390,Q420和Q460 5种钢材进行分析,分析时钢材采用理想弹塑性模型.

2.   数值分析
  • 对本文研究的预应力撑杆钢柱进行线性屈曲分析表明,这类结构构件通常会呈现出图 2所示的对称和反对称屈曲模态.在对称屈曲模态中,中心柱的最大侧向挠度出现在柱跨中位置,而在反对称屈曲模态中,中心柱的最大侧向挠度出现在柱高三分之一(撑杆与中心柱交点)附近.

    表 2列出了表 1所示4种模型的屈曲模态.其中,模型1和模型2为对称屈曲模态,模型3和模型4为反对称屈曲模态.由表 1可以看出,模型1和模型2的撑杆长度或者拉索直径小于模型3和模型4.因此,当撑杆长度或者拉索直径较小时,预应力撑杆钢柱呈现出对称屈曲模态,反之则为反对称屈曲模态.

  • 初始缺陷是影响预应力撑杆钢柱稳定性能的一个重要因素,本文在数值分析时同样考虑了初始缺陷的影响.缺陷大小取为L/300(L为柱长),而缺陷分布假定与其最低阶线性屈曲模态相同.除了初始缺陷以外,拉索初始预应力也是影响预应力撑杆钢柱稳定性能的另一因素,本文采用文献[8]中的方法施加初始预应力.

    图 3图 4所示分别为模型1和模型2、模型3和模型4在采用不同强度钢材时的荷载-挠度曲线.由于屈曲模态不同,对于图 3的模型1和模型2而言,其横轴所示的挠度表示柱中点处的挠度;而对于图 4所示的模型3和模型4而言,其横轴所示的挠度则为中心柱柱长三等分点处的挠度.可以看出,对于模型1和模型2而言,即对称屈曲模态下,提高钢材强度并不会显著提高预应力撑杆钢柱的承载能力.然而,提高钢材强度却可以显著提高模型3和模型4的承载能力.

    表 3所示为4种模型在采用不同钢材的情况下结构屈曲时的挠度.与图 3图 4相同,模型1和模型2采用的是跨中挠度作为表征指标,而模型3和模型4采用的是柱高三分之一处的挠度作为表征指标.可以看出,提升钢材强度,结构屈曲时对应的挠度随之增大.同时还可以发现,对于同一种强度的钢材而言,结构发生对称屈曲时的挠度远大于发生反对称屈曲时的挠度.

    图 3图 4类似,图 5图 6还给出了预应力撑杆钢柱的荷载-压缩曲线,其中横坐标所示的压缩为中心柱的轴向压缩.由图 5(a)图 5(b)可以看出,模型2的承载能力总是高于模型1的承载能力,因此当结构发生对称屈曲时,增加撑杆长度可以提升预应力撑杆钢柱的承载能力.由图 6可以看出,当结构发生反对称屈曲时,撑杆长度的增加并不能明显提升预应力撑杆钢柱的承载能力.比较图 5(b)图 6(a)可以发现,当撑杆长度不变增大拉索直径后,结构的承载能力显著提升.

    为了进一步分析钢材强度对预应力撑杆钢柱承载能力的提升作用,图 7给出了承载能力提升率随钢材强度的变化关系. 图 7纵轴所示的承载能力提升率α,表征某一强度钢材相对于Q235钢对应承载能力的提升率.可由式(1)计算:

    式中,Pu表示某种钢材强度的预应力撑杆柱的承载能力,P0表示Q235钢材预应力撑杆柱的承载能力.可以看出,模型1和模型2对应的承载能力提升率不超过2%,而模型3和模型4对应的承载能力提升率最大则可以达到25%以上.因此,当结构为反对称屈曲时,提升钢材强度可以明显提高其承载能力;而当结构呈现出对称屈曲时,这种提升作用却不明显.

    表 4所示为预应力撑杆钢柱发生屈曲时的轴向压缩量.显然,模型1和模型2在发生屈曲时的轴向压缩大于模型3和模型4.比较表 4表 3还可以看出,预应力撑杆钢柱发生屈曲时的侧向挠度远大于其轴向压缩,即这类结构构件发生屈曲时的变形是以弯曲变形为主.

    在上述分析中,初始缺陷大小取值为L/300,然而已有研究表明[5],预应力撑杆柱的承载能力受初始缺陷影响较大.为此,图 8选取了模型1和模型3,研究初始缺陷对不同钢材强度下结构承载能力的影响.缺陷大小取值分别为L/100,L/300,L/500,L/1 000,L/5 000.图中可以看出,随着初始缺陷的减小,结构承载能力显著增强,且模型3承载能力的提升程度远大于模型1,即模型3对初始缺陷更为敏感.

3.   结论
  • 1) 结构的屈曲模态决定了钢材强度与结构承载性能之间的关系,当结构发生对称屈曲时,提升钢材强度对结构稳定承载力并没有显著影响;当结构发生反对称屈曲时,钢材强度的提升使得结构承载性能明显增强.

    2) 不同的撑杆长度和拉索直径,可能对结构的屈曲模态和承载性能产生显著影响.当撑杆长度或者拉索直径较小时,预应力撑杆钢柱呈现出对称屈曲模态,反之则为反对称屈曲模态;增大拉索直径,或当结构发生对称屈曲时增加撑杆长度,均可以有效地提升结构的承载性能.

Figure (8)  Table (4) Reference (10)

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