張豪杰

(西南交通大學(xué)木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

近年來(lái)，冷彎薄壁鋼由于其易于加工且便于安裝的優(yōu)點(diǎn)，在建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。一般而言，CFS柱在軸壓荷載作用下可能發(fā)生局部屈曲、畸變屈曲、整體屈曲[1-2]，在一定條件下，這3種屈曲模式還會(huì)出現(xiàn)兩兩相關(guān)或三者相關(guān)的耦合屈曲，即相關(guān)屈曲，而多肢拼合柱往往由于“板組效應(yīng)”可以避免試件過(guò)早發(fā)生局部屈曲[3]；另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的“背靠背”連接方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)于鋼材安裝靈活性的需求，而關(guān)于帶有角碼連接件等新型的的冷彎薄壁鋼組合構(gòu)件形式卻鮮有報(bào)道，本文旨在探究角碼連接件和初始缺陷對(duì)這種CFS構(gòu)件極限強(qiáng)度的影響,為這一類(lèi)通過(guò)角碼連接件連接的CFS柱的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 構(gòu)件尺寸

單肢構(gòu)件長(zhǎng)度為2 590 mm，厚度為2 mm，高度為50 mm，寬度為150 mm，構(gòu)件組合方式如圖1(a)所示，構(gòu)件與連接件之間采用螺栓連接，截面尺寸如圖1(b)所示，連接件尺寸如圖1(c)所示。

圖1 構(gòu)件、截面與連接件尺寸

2 有限元建模

2.1 網(wǎng)格劃分及材料選擇

使用Hypermesh完成面網(wǎng)格劃分，并賦予殼單元2 mm厚度，單元類(lèi)型選用減縮積分單元S4R，沿厚度方向設(shè)置5個(gè)積分點(diǎn)。建模時(shí)選用的材料為Q235鋼，所用的材料數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 材料的密度、彈性模量與泊松比

表2 材料的彈塑性段力-位移數(shù)據(jù)

利用式(1)、式(2)求得其真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)(圖2)。

ε*=ln(1+ε)

(1)

σ*=σ(1+ε)

(2)

圖2 材料真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變曲線(xiàn)

2.2 邊界條件與荷載施加

角碼連接試件(SJ1)使用TIE約束代替螺栓的連接作用，邊界條件為一端鉸接，另一端只對(duì)沿桿件方向的位移不做限制而限制其他方向的位移為0，并沿構(gòu)件方向施加位移荷載，將兩端分別使用TIE連接至2個(gè)面，為方便計(jì)算面使用解析剛體，同時(shí)為了由于支座轉(zhuǎn)動(dòng)軸到接觸面的距離，將解析剛體的參考點(diǎn)于幾何中心向平面外偏移12 mm，兩端都只允許其沿弱軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，為研究角碼連接的作用，建立同尺寸同材料同截面同邊界的對(duì)照試件(SJ2)。建立的有限元模型如圖3所示。

2.3 有限元分析結(jié)果

本文使用Abaqus有限元分析軟件首先進(jìn)行了特征值屈曲分析，所用分析步為Bulking。1階模態(tài)如圖4所示。

圖4 一階屈曲模態(tài)

可以看到，相比簡(jiǎn)單拼合柱，角碼連接件的使用減小了構(gòu)件側(cè)邊的變形量，而對(duì)構(gòu)件的臨界半波數(shù)幾乎沒(méi)有影響。然后以第一模態(tài)為基準(zhǔn)，分別取初始缺陷0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、7.5 mm和10 mm，進(jìn)行非線(xiàn)性屈曲分析，所用分析步為Riks。有限元分析中出現(xiàn)了畸變-局部-整體耦合屈曲模式，即先發(fā)生局部屈曲，在發(fā)生局部屈曲時(shí)，弧長(zhǎng)法產(chǎn)生了極小段負(fù)弧長(zhǎng)增量，有限元結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 有限元分析結(jié)果

比較SJ1試件和SJ2試件的有限元分析結(jié)果，SJ1由于卷邊的約束作用，應(yīng)力相比SJ2試件更加集中在邊上。屈曲形態(tài)上，SJ1呈現(xiàn)出明顯的彎曲變形，而SJ2表現(xiàn)出明顯的軸壓變形。

3 數(shù)據(jù)分析

各缺陷下剛體面參考點(diǎn)的反力-位移曲線(xiàn)如圖6所示，其中im005表示初始缺陷為0.5 mm，im010表示初始缺陷為1 mm，以此類(lèi)推。

圖6 各初始缺陷下參考點(diǎn)的力-位移曲線(xiàn)

可見(jiàn)，角碼連接件一方面起到了傳力的作用，另外一方面也增加了截面的抗彎剛度，從而增加了截面的極限強(qiáng)度。初始缺陷對(duì)SJ1和SJ2試件的極限強(qiáng)度均有較大影響，SJ2受到初始缺陷的影響更大，比較2個(gè)試件屈服點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的位移，可見(jiàn)初始缺陷幾乎不會(huì)使SJ1屈曲提前發(fā)生，而SJ2受到初始缺陷的影響較大，但SJ1屈曲后強(qiáng)度的下降速度比SJ2要快，且SJ2下降速度隨初始缺陷的增大而減小，但所有的試件的曲線(xiàn)于7 mm處匯集為一點(diǎn)。

4 結(jié)論

角碼連接件一方面起到了傳力的作用，另外一方面也增加了截面的抗彎剛度，從而增加了截面的極限強(qiáng)度，SJ1相比SJ2極限強(qiáng)度提高約25%。比較2個(gè)試件屈服點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的位移，可見(jiàn)初始缺陷幾乎不會(huì)使SJ1屈曲提前發(fā)生，而SJ2受到初始缺陷的影響較大，缺陷為L(zhǎng)/250的試件相比缺陷為L(zhǎng)/5 000的試件達(dá)到屈服時(shí)的位移相差了1.5 mm，約為相差初始缺陷的15%，但SJ1屈曲后強(qiáng)度的下降速度比SJ2要快，在3～7 mm這個(gè)位移區(qū)間，在初始缺陷為L(zhǎng)/5 000下的SJ1和SJ2極限強(qiáng)度分別下降了70%和25%，且SJ2下降速度隨初始缺陷的增大而減小，但所有的試件的曲線(xiàn)于7 mm處匯集為一點(diǎn)。