姚永紅，陳迪穎

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

冷彎薄壁型鋼通常采用薄鋼板或鋼帶為原始材料，在常溫下用特定機械對其進行機械加工，得到工程所需的各種截面形式[1]，該類型構(gòu)件具有良好的力學(xué)性能，并能節(jié)省材料，在工業(yè)和民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。在一些實際工程中，為方便生活設(shè)施在受力構(gòu)件中穿過，常會布設(shè)各種類型的孔洞[2]。現(xiàn)有研究結(jié)果表明：孔洞的存在對構(gòu)件的屈曲失效模式和承載能力都有一定的影響[3]，在設(shè)計計算時需重點考慮。美國學(xué)者Moen[4-5]、沈陽建筑大學(xué)王春剛[6]和東北林業(yè)大學(xué)趙金友[7-8]等對腹板開孔冷彎薄壁卷邊槽鋼受彎構(gòu)件屈曲性能進行了試驗和相關(guān)的理論研究工作，得出了一系列有價值的結(jié)論。目前對非純彎狀態(tài)下開孔冷彎薄壁型鋼梁的穩(wěn)定性能研究還相對較少。鑒于實踐中受彎構(gòu)件常處于非純彎受力狀態(tài)，本文借助有限元研究非純彎狀態(tài)下腹板開孔冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件的受力性能，研究開孔及孔徑變化對構(gòu)件屈曲失效模式和極限承載力的影響。

1 有限元模型驗證

1.1 有限元模型建立

本文基于安徽理工大學(xué)趙帥的試驗結(jié)果[2]，選取其中4組采用有限元軟件進行數(shù)值模擬，以驗證所建有限元模型的合理性，其研究模型如圖1所示。模擬所采用的尺寸、截面數(shù)據(jù)、材料屬性及邊界條件均與試驗保持一致，詳見文獻[2]。本文有限元數(shù)值模擬輸入的初始缺陷取值參照文獻[9]的研究成果給出。選取殼單元來模擬薄壁構(gòu)件的受力，研究表明模型網(wǎng)格大小對其結(jié)果有較大影響。通過改變網(wǎng)格尺寸大小，經(jīng)試算后發(fā)現(xiàn)當選取網(wǎng)格尺寸為(10×10) mm時，計算精度相對較高且耗時較少。

圖1 構(gòu)件分析模型及彎矩示意圖

1.2 有限元模型可靠性驗證

試驗和數(shù)值模擬冷彎薄壁卷邊槽鋼受彎構(gòu)件屈曲失效模式對比見圖2。試驗和數(shù)值模擬得到的荷載-位移曲線對比結(jié)果見圖3(圖3中奇數(shù)表示試驗所得曲線、偶數(shù)表示數(shù)值模擬所得曲線)。數(shù)值模擬與試驗的抗彎極限承載力對比結(jié)果見表1。

圖2 試驗與模擬所得失效模式對比

圖3 數(shù)值模擬與試驗所得荷載-位移曲線對比

表1 數(shù)值模擬與試驗所得抗彎極限承載力對比

經(jīng)過對比分析可以看出：(1)數(shù)值模擬與試驗中所有構(gòu)件均發(fā)生了畸變-局部相關(guān)屈曲失效；(2)數(shù)值模擬與試驗結(jié)果所得抗彎極限承載力差值均在6%以內(nèi)。綜上所述本文數(shù)值模擬在單元選取、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置及邊界條件選取均較理想，其模擬結(jié)果與試驗相比吻合度較高。

2 腹板開孔冷彎薄壁卷邊槽鋼受彎構(gòu)件有限元分析

2.1 構(gòu)件開孔設(shè)計

為研究開孔冷彎薄壁卷邊槽鋼梁的穩(wěn)定性能，采用有限元方法進行參數(shù)分析。分析所選取的構(gòu)件截面尺寸及編號規(guī)則如圖4所示，腹板高度H選取160 mm、180 mm、200 mm和220 mm四種，翼緣寬度B取80 mm，卷邊寬度d取20 mm，板厚t取2.0 mm，板件間的彎曲內(nèi)徑r=t，孔洞高度A選取38.2 mm、57.3 mm、76.4 mm、95.5 mm，如果沒有A符號，則代表未開孔構(gòu)件，構(gòu)件中孔洞位置如圖5所示。

圖4 構(gòu)件截面及編號規(guī)則圖

圖5 試件孔洞位置示意圖

2.2 有限元計算結(jié)果分析

2.2.1 屈曲失效模式

有限元參數(shù)分析結(jié)果顯示不同腹板高度的構(gòu)件均發(fā)生了畸變-局部相關(guān)屈曲失效。在荷載作用點附近可觀察到畸變-局部相關(guān)屈曲發(fā)生的最大變形，如圖6(a)所示。對于開小孔徑構(gòu)件，孔洞周邊并未發(fā)生明顯的變形，因此孔洞對構(gòu)件的畸變-局部相關(guān)屈曲并未產(chǎn)生明顯的影響，如圖6(b)～6(d)所示。當孔洞高度為95.5 mm時，孔洞對腹板受壓部分削弱過多，從而導(dǎo)致在孔洞上方的受壓翼緣處產(chǎn)生了畸變-局部相關(guān)屈曲，如圖6(e)～6(f)所示。

圖6 構(gòu)件屈曲失效模式及應(yīng)力分布圖

2.2.2 受力結(jié)果分析

有限元參數(shù)分析所得極限承載力及屈曲失效模式如表2所示。

表2 構(gòu)件極限承載力及失效模式

圖7 非純彎構(gòu)件抗彎承載力對比圖

當構(gòu)件布設(shè)小孔徑孔洞時，與未開孔構(gòu)件相比，開孔構(gòu)件抗彎承載力非但沒有下降反而出現(xiàn)了細微的上升現(xiàn)象。這是由于開設(shè)孔徑較小時，對腹板的受壓部分影響也較小，孔洞的存在導(dǎo)致了應(yīng)力集中及應(yīng)力重分布，同時由于上方受壓翼緣的約束作用，導(dǎo)致出現(xiàn)開小孔構(gòu)件比未開孔構(gòu)件承載力有微小增加的現(xiàn)象。隨著構(gòu)件孔徑的增加，抗彎承載力出現(xiàn)了下降的趨勢。

構(gòu)件抗彎承載力隨孔洞高度的變化規(guī)律曲線見圖7。當孔洞高度為38.2 mm、57.3 mm、76.4 mm時，大部分開孔構(gòu)件抗彎承載力相比于未開孔構(gòu)件變化不明顯；當孔洞高度增加到95.5 mm時，構(gòu)件抗彎承載力出現(xiàn)大幅度下降。

3 結(jié)論

通過對非純彎開孔冷彎薄壁槽鋼梁構(gòu)件進行數(shù)值模擬分析，驗證了有限元軟件數(shù)值模擬的可行性，通過改變孔洞尺寸大小，研究了孔洞對構(gòu)件承載力及屈曲失效模式的影響，得出了如下結(jié)論：

(1)非純彎狀態(tài)下，所分析的構(gòu)件均發(fā)生了畸變-局部相關(guān)屈曲失效，但大孔徑構(gòu)件最大屈曲變形位置與其他構(gòu)件有所不同。

(2)當構(gòu)件布設(shè)小孔徑孔洞時，與未開孔構(gòu)件相比，開孔構(gòu)件抗彎承載力變化不大，部分開孔構(gòu)件甚至出現(xiàn)承載力細微的增加；當構(gòu)件孔徑進一步增大時，構(gòu)件抗彎承載力出現(xiàn)一定幅度的下降。