徐鋒鋒　趙金友

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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腹板開(kāi)孔冷彎薄壁C型鋼純彎構(gòu)件抗彎承載力研究

徐鋒鋒趙金友

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040)

為了研究腹板開(kāi)孔對(duì)冷彎薄壁C型鋼抗彎承載力的影響，選取不同孔洞尺寸和不同孔洞數(shù)目的冷彎薄壁C型鋼受彎構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：當(dāng)此類(lèi)構(gòu)件發(fā)生畸變屈曲失穩(wěn)模式時(shí)，構(gòu)件抗彎承載力隨孔洞高度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但隨孔洞數(shù)目的增加變化不大。

冷彎薄壁C型鋼，抗彎承載力，有限元分析，腹板開(kāi)孔

0　引言

腹板開(kāi)孔冷彎薄壁型鋼具有為結(jié)構(gòu)的側(cè)向支撐及電路系統(tǒng)和管道設(shè)施安裝提供方便等特點(diǎn)，已在建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。腹板開(kāi)孔使構(gòu)件的截面形式發(fā)生變化，但孔洞數(shù)目和孔洞高度對(duì)此類(lèi)開(kāi)孔構(gòu)件受彎承載力的研究鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。綜上所述：本文通過(guò)對(duì)開(kāi)孔冷彎薄壁C型鋼受彎構(gòu)件進(jìn)行非線性有限元分析，探究純彎狀態(tài)下孔洞數(shù)目和孔洞高度對(duì)此類(lèi)構(gòu)件抗彎承載力的影響規(guī)律。

1　構(gòu)件設(shè)計(jì)及有限元建模

1.1構(gòu)件截面形式與材料屬性

構(gòu)件的截面形式如圖1所示。試件長(zhǎng)度3 720 mm，研究區(qū)段長(zhǎng)度L=1 200 mm，選取腹板高度H=200 mm，翼緣寬度B=80 mm，板件選取三種厚度t=2.0 mm，2.5 mm和3.0 mm。翼緣寬度B=80 mm，選取卷邊寬度d=20 mm。孔洞高度h由凈截面和毛截面慣性矩Inet/Ig比值確定，取Inet/Ig=1.0(不開(kāi)孔)，0.99，0.95，0.90和0.85，卷邊為20 mm對(duì)應(yīng)的孔洞高度為0 mm，38.2 mm，114 mm，142 mm和164 mm?？锥撮L(zhǎng)度Lh=101.8 mm，其中h=38.2 mm，Lh=101.8 mm的孔洞尺寸為參考工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)孔尺寸[2]。彎曲半徑r=t，鋼板的屈服強(qiáng)度f(wàn)y=345 MPa，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3。構(gòu)件編號(hào)規(guī)則如圖2所示。

圖1　試件截面形式

圖2　構(gòu)件編號(hào)規(guī)則

1.2有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181殼單元對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建模[3]，本次分析模型只進(jìn)行純彎模擬，設(shè)計(jì)時(shí)取相同試件2個(gè)，并將2個(gè)試件背靠背通過(guò)工字型荷載連接件連接，模擬時(shí)在構(gòu)件連接件的腹板上施加約束，一端約束X,Y和Z三方向的位移，另一端約束X和Y方向的位移，其中X為構(gòu)件平面外方向，Y為豎直方向，Z為構(gòu)件長(zhǎng)度方向。為避免非研究區(qū)段對(duì)研究區(qū)段的影響，采用鋼板對(duì)非研究區(qū)段的翼緣進(jìn)行耦合處理。圖3為開(kāi)1個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)孔尺寸孔洞有限元模型圖。

圖3　1孔有限元模型圖

2　有限元分析

有限元分析分為特征值屈曲分析和非線性分析兩個(gè)階段。首先進(jìn)行特征值屈曲分析，在特征值分析的基礎(chǔ)上得到試件可能的屈曲模態(tài)，在此基礎(chǔ)上施加初始幾何缺陷進(jìn)行非線性分析，得出試件的破壞模式和極限承載力。初始幾何缺陷取值依據(jù)文獻(xiàn)[4]確定。薄膜殘余應(yīng)力和彎曲殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件具有相反的作用，可近似認(rèn)為其相互作用抵消，故分析時(shí)不考慮其影響。

3　計(jì)算結(jié)果

表1～表3分別為腹板高200 mm，卷邊20 mm，厚度3.0 mm時(shí)腹板開(kāi)1孔、2孔和3孔對(duì)應(yīng)的抗彎承載力有限元分析結(jié)果。從表1～表3中可以看出，隨著孔洞高度的增加，開(kāi)孔構(gòu)件抗彎承載力較無(wú)開(kāi)孔構(gòu)件抗彎承載力的降低幅度呈上升趨勢(shì)；當(dāng)孔洞高度固定時(shí)，隨著孔洞個(gè)數(shù)增加，抗彎承載力較無(wú)開(kāi)孔構(gòu)件的降低幅度呈下降趨勢(shì)，但在開(kāi)孔高度為38.2 mm，開(kāi)孔個(gè)數(shù)為3個(gè)時(shí)承載力反而呈現(xiàn)出比不開(kāi)孔構(gòu)件大的現(xiàn)象。以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)孔尺寸為例，開(kāi)1孔時(shí)承載力降低幅度為2.90%，開(kāi)2孔時(shí)承載力降低幅度為2.19%，開(kāi)3孔時(shí)承載力降低幅度為-0.38%。

表1　腹板1孔承載力

在同一截面參數(shù)下，隨著開(kāi)孔數(shù)目的增加，抗彎承載力降低幅度反而呈下降趨勢(shì)，這是由于構(gòu)件孔洞數(shù)目為1時(shí)，在研究區(qū)段中心位置腹板處的孔洞附近應(yīng)力較為集中，承載力降低的幅度最大；在構(gòu)件孔洞數(shù)目為2時(shí)，腹板處的孔洞附近應(yīng)力分布較為均衡，抗彎承載力較1孔時(shí)降低幅度小；在構(gòu)件孔洞數(shù)目為3時(shí)，腹板上孔洞附近應(yīng)力隨孔洞數(shù)目的增多分布更趨于均衡，抗彎承載力較不開(kāi)孔構(gòu)件略有上升。圖4～圖6分別為開(kāi)1孔、2孔和3孔的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化尺寸孔洞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力云圖。

表2　腹板2孔承載力

表3　腹板3孔承載力

圖4　開(kāi)1孔構(gòu)件應(yīng)力云圖

圖5　開(kāi)2孔構(gòu)件應(yīng)力云圖

圖6　開(kāi)3孔構(gòu)件應(yīng)力云圖

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)腹板開(kāi)孔冷彎薄壁C型鋼構(gòu)件在純彎狀態(tài)下進(jìn)行非線性有限元分析，得到以下結(jié)論：1)開(kāi)孔降低了冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件的抗彎承載力，隨著孔洞高度的增加，抗彎承載力呈逐漸降低的趨勢(shì)。2)在同一截面參數(shù)的情況下，隨著開(kāi)孔數(shù)目從1個(gè)增加至3個(gè)，構(gòu)件抗彎承載力基本無(wú)變化，孔洞個(gè)數(shù)的變化對(duì)抗彎承載力影響不大。3)研究區(qū)段中心位置腹板處在構(gòu)件開(kāi)1孔時(shí)應(yīng)力較為集中，在構(gòu)件開(kāi)2孔和3孔時(shí)應(yīng)力較為均衡。

[1]郭小燕,姚勇,王欣.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑技術(shù),2011(5):455-458.

[2]Moen C D,Schafer B W.Experiments on Cold-Formed Steel Columns with Holes[J].Thin-Walled Structures,2008,46(10):1164-1182.

[3]王宇,王樹(shù),朱波.利用ANSYS Shell181單元分析鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題[J].山西建筑,2006，32(12):32-34.

[4]王海明.冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件穩(wěn)定性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

Study on bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with web holes

Xu FengfengZhao Jinyou

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the effect of web holes on the bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members, finite element analysis were conducted on cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with the different size and different number of web holes. The results show that the bending strengths of such members decrease with an increase of hole height, but has little change with an increase of hole number when such members display distortional buckling.

cold-formed thin-walled C-section steel, bending strength, finite element analysis, web holes

1009-6825(2016)21-0046-03

2016-05-14

徐鋒鋒(1990- )，男，在讀碩士；趙金友(1977- )，男，副教授

TU311.3

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