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        鋼結(jié)構(gòu)開孔板件凈截面抗剪性能研究

        2012-01-05 08:16:56項(xiàng)陽張?zhí)?/span>尹越劉明輝
        水泥技術(shù) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:板件分析模型剪應(yīng)力

        項(xiàng)陽 ,張?zhí)?,尹越 ,劉明輝

        鋼結(jié)構(gòu)開孔板件凈截面抗剪性能研究

        Research on the Net Section Shear Properties of Hole Cross-section Steel Plates

        項(xiàng)陽11,張?zhí)?2,尹越22,劉明輝33

        H型鋼受彎構(gòu)件拼接設(shè)計(jì)中通常假定剪力由腹板承受,采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行腹板拼接時(shí),螺栓孔洞將改變腹板凈截面上的剪應(yīng)力分布,對(duì)腹板抗剪性能產(chǎn)生不利影響,本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS,建立開孔受剪板件有限元分析模型,分析了開孔直徑、開孔數(shù)量等對(duì)開孔板件凈截面上剪應(yīng)力大小和分布的影響,對(duì)螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進(jìn)行了研究。

        受剪板件;孔洞削弱;開孔直徑;開孔數(shù)量

        1 引言

        鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件采用H型鋼截面時(shí),腹板剪應(yīng)力分布如圖1所示,剪應(yīng)力大小可根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[1]由式(1)計(jì)算。

        式中:

        V——計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力

        S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩

        I——為毛截面慣性矩

        tw——腹板厚度

        當(dāng)H型鋼受彎構(gòu)件在進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)時(shí),一般采用彎矩由翼緣承擔(dān),剪力由腹板承擔(dān)的簡(jiǎn)化方法計(jì)算。H型鋼受彎構(gòu)件的拼接節(jié)點(diǎn),通常采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行腹板拼接,連接安裝方便,但由于螺栓孔洞的存在,將改變腹板凈截面上的剪應(yīng)力分布,對(duì)腹板抗剪性能產(chǎn)生不利影響,孔洞對(duì)受剪板件凈截面剪應(yīng)力的影響在式(1)中未予考慮,對(duì)開孔受剪板件的凈截面抗剪性能的相關(guān)研究[2]也很少。

        本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS[3],建立開孔受剪板件有限元分析模型,分析了開孔直徑、開孔數(shù)量等對(duì)開孔板件凈截面上剪應(yīng)力大小和分布的影響,對(duì)螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進(jìn)行了研究。

        2 開孔受剪板件凈截面剪應(yīng)力分析

        2.1 分析模型

        受剪板件尺寸取為550mm×670mm×12mm,如圖2所示,板件左邊設(shè)置固端約束,右邊施加均布剪切荷載,總剪力值415.75kN。分兩種情況分析孔洞對(duì)受剪板件凈截面上剪應(yīng)力分布及大小的影響:(1)在板件中心開一個(gè)孔洞,孔洞直徑D分別取50、100、150及200mm;(2)沿板中心線開孔,孔洞直徑50mm,孔洞數(shù)量n取為1、2、3、4,孔洞布置如表1所示。

        采用通用有限元軟件ABAQUS建立開孔受剪板件有限元分析模型,如圖3所示,所有單元均采用板殼單元S4R。

        2.2 分析結(jié)果

        有限元分析得到的無孔洞板件最大剪應(yīng)力為80.4MPa,與按規(guī)范式(1)所得截面最大剪應(yīng)力77.6MPa基本一致。

        表1不同孔洞數(shù)量時(shí)孔洞布置情況

        板件中心開一個(gè)孔洞(D=50、100、150及200mm)對(duì)板件凈截面上剪應(yīng)力分布與大小的影響如圖4所示。可以看出,板件中心開孔后,孔邊剪應(yīng)力較小,但在孔邊附近剪應(yīng)力急劇增大到最大值,最大剪應(yīng)力比無孔洞板件最大剪應(yīng)力有較大幅度增大,孔徑D越大,最大剪應(yīng)力增幅越大,如圖5所示,孔徑D=200mm時(shí),最大剪應(yīng)力達(dá)到113.7MPa,接近無孔洞板件最大剪應(yīng)力的1.5倍。另外,開孔板件與不開孔板件比較,最大剪應(yīng)力增幅明顯,孔洞直徑對(duì)最大剪應(yīng)力的影響相對(duì)較小。

        沿板件中心線開多個(gè)孔洞(n=1、2、3、4)時(shí),板件凈截面上剪應(yīng)力分布如圖6所示??梢钥闯?,開多個(gè)孔洞時(shí),板件凈截面上的剪應(yīng)力分布大趨勢(shì)與無孔洞板件相似,中間大、兩端小,同時(shí),由于孔洞將板件截面分割為若干獨(dú)立的小區(qū)段,在每個(gè)小區(qū)段內(nèi),剪應(yīng)力同樣遵循中間大、兩端小的分布規(guī)律;由于孔洞的存在,板件凈截面最大剪應(yīng)力均有一定幅度的增大,但增幅并不僅僅取決于孔洞數(shù)量,還與孔洞布置有關(guān)。

        3 螺栓孔削弱板件抗剪性能分析

        受剪板件尺寸見圖2,沿中線設(shè)置螺栓孔8個(gè),孔徑26mm,端距55mm,中心距80mm。分螺栓孔內(nèi)有、無螺栓兩種情況分析板件凈截面上的剪應(yīng)力。采用ABAQUS建立有限元分析模型時(shí),螺栓簡(jiǎn)化為解析剛體。

        螺栓孔削弱板件凈截面上的剪應(yīng)力與無孔洞板件比較如圖7所示??梢钥闯觯菟紫魅醢寮艚孛嫔系募魬?yīng)力分布在整體趨勢(shì)及小區(qū)段上均遵循中間大、兩端小的規(guī)律,最大剪應(yīng)力值均有所增大;螺栓孔內(nèi)有螺栓時(shí)的最大剪應(yīng)力比螺栓孔內(nèi)無螺栓時(shí)有所降低,這是由于螺栓的抗剪、承壓傳遞了部分剪力。計(jì)算兩種情況板件凈截面上剪力合力可知,通過螺栓傳遞的剪力約為總剪力的25%,靠近中部的螺栓所傳遞的剪力最大,而端部的螺栓傳遞的剪力較小。

        4 結(jié)論

        (1)受剪板件中心開孔,孔邊剪應(yīng)力較小,但在孔邊附近剪應(yīng)力急劇增大到最大值,最大剪應(yīng)力比無孔洞板件最大剪應(yīng)力有較大幅度增大,孔徑越大,最大剪應(yīng)力增幅越大;

        (2)受剪板件在同一截面開多個(gè)孔洞時(shí),板件凈截面上的剪應(yīng)力分布在整體趨勢(shì)及小區(qū)段上均遵循中間大、兩端小的規(guī)律,最大剪應(yīng)力值增大幅度與孔洞數(shù)量及孔洞布置有關(guān);

        (3)由于螺栓通過抗剪、承壓能傳遞部分剪力,螺栓孔內(nèi)有螺栓時(shí),板件凈截面上的最大剪應(yīng)力比螺栓孔內(nèi)無螺栓時(shí)有所降低。

        [1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

        [2]Paik JK.Ultimate strength of perforated steel plates under edge shear loading.Thin-Walled Structures 2007,45:301-306.

        [3]ABAQUS,Inc.ABAQUS.Ver6.9.analysis user′s manual,2010.

        TU391

        A

        1001-6171(2012)01-0044-02

        通訊地址:1中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司天津公司,天津 300400; 2天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072; 3中材節(jié)能股份有限公司,天津300400;

        2011-07-26;

        呂 光

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