摘要：套管构件由内管及外管组成，外管能为内管提供侧向支撑，控制内管失稳，从而提高内管的受压承载力。套管构件是一种新型的钢压杆稳定加固形式，可应用于对受压钢构件失稳比较敏感的一类空间结构。本文首先利用典型的套管构件构造模型，阐述了轴心受压套管加固法的基本原理；然后以一网架工程为例，分析套管加固法对提高结构承载能力的效果。结果表明：套管构件能够有效改善网架结构的局部应力状况，解决了受压钢管的失稳问题，提高了网架结构的极限承载力。
关键词：套管构件；稳定加固；轴压荷载；网架结构
一、前言
轴心受压钢构件的稳定问题是钢结构工程设计中需要考虑的重要环节，在钢结构的发展历程中，由于杆件失稳造成的工程事故不胜枚举。对这些杆件进行稳定加固，采取相应的失稳控制措施是避免事故发生的有效途径。
自1990年印度学者SridharaBN提出了套管构件，套管构件加固法已越来越受到结构工程师们的重视。套管构件由内管及外管组成，内管承受轴向压力，外管为内管提供侧向支撑，抑制内管的弯曲变形，从而达到提高内管稳定性的目的。将套管构件应用于网架结构中，在受压较大的杆件处添加外管，形成套管构件后，结构的局部应力状况得到有效改善，极限承载力有较大程度的提高。
本文介绍改进的套管构件形式；以套管构件简化的力学模型，阐述套管构件受力性能分析过程及套管加固法的基本原理，并以蒲岸管桥网架工程为例，利用ANSYS软件建模，分析了套管构件在结构中的受力性能。结果表明，套管构件能有效改善结构的超应力状况，提高结构的极限承载力。本文结果为套管加固法在工程中的广泛应用提供了可靠依据。
二、套管构件构造模型
目前常用的套管构件的简化构造模型如图1所示。套管构件由内管与外管组成，且两者之间存在间隙。在构造上，为使内管承担全部轴力，设计内管长度略大于外管长度；内管两端与结构的其它构件铰接；内管与外管端部采用“限位连接”，限位连接部位不传递轴力，允许内外管相对转动，即类似活动铰接的构造。
图1套管构件构造模型
如何在已有钢构件上添加外套管，是套管构件应用中的重要问题。为此，对套管构件构造作了如图2的改进。改进后的外管采用两块半圆形等截面钢管，代替无缝圆形钢管，且在两端部和中部设置连接耳板，通过螺栓连接而成。试验研究表明，改进后的套管构件形式能方便地用于已有受压杆件的稳定加固，解决了外套管安装困难的问题。
图2改进的套管构件示意图
三、典型的套管构件具有以下三个特点
1、内核与外包抅件之间存在间隙。通过间隙，分开内核与套筒，在套筒刚度足够大时，内核可以发生高阶屈曲模态，内核的受压承载能力大幅提高。在一定范围内，内核受压承载力随间隙的减小而变大，但是如果间隙为零，外包构件阻止了内核出现高阶屈曲模态，内核与外包构件作为整体而发生一阶模态屈曲，内核的受压承载力提高不是很多。
2、为保证全部的轴向压力作用在内核抅件上，外包构件的尺寸长度略小于内核构件的长度。
3、内核构件受压屈曲变形之后，部分截面与外包构件的内壁发生接触挤压，外包构件中产生弯曲应力，这样内核承受轴压而外包构件抵抗弯曲，则套管构件中内核与外包构件既各司其职又协调工作，共同发挥套管构件在工程应用中的优势。
四、套管加固法的基本原理
研究表明，内管在轴压作用下从最低阶屈曲模态过渡到第二阶屈曲模态时，内管和有限刚度的外管出现较大的塑性变形。因此本文认为，在轴心压力作用下，内外管始终保持单点接触，直到套管构件系统破坏，破坏的标志是外钢管中部截面边缘达到屈服。整个受力过程分为三个阶段：内管与外管接触时处于弹性状态、
内管进入塑性状态及内外管均进入塑性状态，相应的轴压荷载分别为P1、P2、P3。
本文的理论分析过程中采用如下基本假定：内外管均为理想弹塑性材料的等截面圆管，内外管具有相同的计算长度，并忽略内外管接触后的切向摩擦力。由于内管厚度小于钢管直径的1/15～1/20，属于薄壁构件。因此，可将内管的面积集中在壁厚的中心，从而可对内管截面特性参数作简化处理
图3套管构件分析简图
套管构件的受力分析简图如图3所示。考虑内管初始弯曲，设内管轴线任一点初弯曲的挠度值y=vsin（πx/l）。式中，l为构件计算长度；v为内管中部初始挠度值；取为l/1000。通过计算可得到不同阶段的轴压荷载。
（1）内外管接触时，轴压荷载P1=（1－v/g）PE，式中，PE为欧拉荷载；g为内外管间隙。而欧拉荷载PE=πEI/l2，式中，E为钢材弹性模量；I为内管截面惯性矩。
（2）内管中部截面边缘屈服时，可由（1）、（2）式确定轴压荷载，记为P2。
五、套管加固法的工程应用
浙江省丽水市黄村水库供水工程蒲岸管桥建于2001年，用于向丽水市区天宁水厂输送原水。管桥横跨好溪，共连续六跨，总长度122.2m；其中最大两跨的跨度24m。管桥网架结构支承体系绝对高度为15.7m。建成后该工程支承网架原设计荷载偏小，在考虑材料退化问题和设计状态荷载组合工况的情况下，部分受压杆件有超应力现象。为确保结构拥有足够的承载能力，不影响其正常使用，需要对这些杆件进行稳定加固。在MSTCAD模型中，网架桥某一荷载工况下，有
12根杆件压应力超过设计限值，设计应力限值为180N/mm2，且均分布在上层网架的下弦。杆件截面尺寸均为Ф89×4，钢管材料均为Q235－B钢，屈服强度为235MPa。利用通用有限元软件ANSYS建模分析，在这些杆件上，添加截面尺寸为Ф114×4的外套管，形成套管构件。内管采用link8单元，外管采用solid45实体单元。构件长度略小于内管长度，其端部与内管端部设置刚性区，保证内外管两端连接处不受破坏，且不影响内管与其他杆件铰接。网架
计算模型示意，如图4（b）中黑色加重处表示使用套管构件加固部位。
图4网架模型局部示意图
通过ANSYS进行应力计算，选取原网架超应力的12根杆件，与用钢套管加固后的新网架对比。结果见表1。表1显示，原12根截面尺寸为Ф89×4的杆件存在不同程度的超应力现象。在用截面尺寸为Ф114×4的钢套管加固后，各杆件应力均有大幅度的下降，超应力现象改善明显，能够满足设计要求，可见钢套管确实能起到良好的加固效果。为分析套管构件对网架结构极限承载力的贡献，本文在上述两种网架上弦节点处施加100kN竖直向下的集中荷载，等效为施加51.64kN/m2的均布面荷载，对这两种网架模型分别进行非线性分析，计算其各自的极限承载力，结果如表2所示。
表1两网架超应力杆件应力计算
表2两网架结构极限承载力与最大挠度计算
由表2可得，在最大竖向挠度满足设计要求的前提下，网架极限承载力得到一定程度的提高，但提高得并不多，原因在于套管构件使用数量相对较少，另一方面，使用套管构件后，对周围杆件而言，相当于削弱了其抗侧刚度。
六、套管构件在网格结构中的应用分析
套管抅件能够将受压构件的稳定问题转化为强度问题，不仅提高了构件的承载能力，而且避免了构件失稳瞬间的大变形。若在实际工程结构中，将受压杆件替换为套管构件，既能防止这些杆件局部失稳造成的大变形，也能有效改善结构应力分布状况，提高整体结构的极限承载力。
套管抅件是对传统抑制屈曲支撑构造上的改进，其静力性能在上述章节中已做较完善的介绍，那么其动力性能即在地震作用下或循环往复荷载作用下的受力性能仍需要做深入的研究和分析。
通过滞回环面积评估了查管构件耗能能力，并在耗能系数、等效點滞阻尼比等参数方面，与单钢管构件在同等循环往复荷载下的滞回曲线和耗能能力做了对比。同时，对带有套管构件和不带套管构件的单层球面网壳在三向地震作用下进行有限元模拟，分析了套管构件的动力性能。
作为提高钢压杆稳定性的一种形式，套管构件由于思路清晰、构造简单、效果显著等优点，越来越受到结构工程师们的重视。然而，在实际应用及理论分析中仍需解决的问题有：一方面，现有的套管构件形式难以用于处于工作状态或已经屈曲变形的承压构件；另另一方面，在外管的侧向约束下，轴心受压的内管，进入塑性状态的受力性能尚未得到合理解释。同时，该类套管构件的耗能能力、动力响应研究尚为空白。
基于这些问题，本文首先对现有的套管构件构造做了改进。其次，采用理想弹塑性材料模型，在不考虑和考虑内管初始弯曲两种情况下，对套管构件的承载能力做了深入分析。得出以下结论
（1）套管构件中，由于外套管的存在，为内管提供侧向支撑，从而提高了内管的承载能力。
（2）当内管尺寸一定时，套管构件的承载力随外管刚度增大而增大；当外管尺寸一定时，套管构件的承载力随内管刚度增大而增大。
（3）网架桥在使用套管构件后，超应力现象改善明显，杆件应力能够满足设计要求。套管构件能够改善网架结构的局部应力状况，有效控制受压钢管的失稳，起到良好的加固作用。使用套管构件后，网架极限承载力得到一定程度的提高。
七、结束语
作为提高钢压杆稳定性的一种形式，套管构件由于分析思路清晰、构造简单、效果显著等优点，已越来越被重视。套管构件由承受轴向压力的内管和约束内管屈曲变形的外管组成，外管可改善内管的后屈曲性能，从而提高内管的轴压承载力。
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论文作者:刘彦辉
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：构件论文; 套管论文; 网架论文; 应力论文; 承载力论文; 荷载论文; 结构论文; 《基层建设》2015年29期论文;