不同卷邊形式冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件有限元分析★

姜鐵冰 趙金友 張力濱

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

·結(jié)構(gòu)·抗震·

不同卷邊形式冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件有限元分析★

姜鐵冰 趙金友 張力濱

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

為了研究卷邊形式對冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件屈曲模式和抗彎承載力的影響，應(yīng)用有限元軟件ANSYS對直卷邊、斜卷邊和復(fù)雜卷邊冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，復(fù)雜卷邊進(jìn)一步加強(qiáng)了對構(gòu)件翼緣的約束作用，提高了構(gòu)件的抗彎承載力，其構(gòu)件的承載效率最高，并在一定程度上限制了畸變屈曲的發(fā)生。

冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件，卷邊形式，抗彎承載力，屈曲模式

0 引言

冷彎薄壁型鋼是用厚度為1.5 mm～6 mm的帶鋼或鋼板經(jīng)過冷加工成型，截面各部分厚度相同，截面各角頂處呈圓弧形。與同樣截面的熱軋型鋼相比，冷彎薄壁型鋼具有更大的回轉(zhuǎn)半徑和慣性矩，改善了構(gòu)件的受力性能，節(jié)省了鋼材，使得冷彎薄壁型鋼具有了自重小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。諸多優(yōu)點(diǎn)使得冷彎薄壁型鋼被廣泛應(yīng)用于屋蓋中的檁條、樓板中的橫梁及在建建筑的圍護(hù)等結(jié)構(gòu)中[1]，尤其是冷彎薄壁型鋼C型截面構(gòu)件(簡稱冷彎薄壁槽鋼)在實(shí)際工程中應(yīng)用居多。由于板件較薄，冷彎薄壁槽鋼的寬厚比較大，在受彎狀態(tài)下容易發(fā)生失穩(wěn)，因此將冷彎薄壁槽鋼的邊緣彎折起卷邊來提高構(gòu)件的抗彎承載力[2]。卷邊的出現(xiàn)使得構(gòu)件的屈曲模式更加復(fù)雜，因此有必要對不同形式卷邊的構(gòu)件作進(jìn)一步的研究。本文對直卷邊、斜卷邊和復(fù)雜卷邊冷彎薄壁槽鋼構(gòu)件在純彎狀態(tài)下進(jìn)行有限元分析，研究不同形式卷邊對冷彎薄壁槽鋼屈曲模式和抗彎承載力的影響。

1 截面形式

我國冷彎薄壁槽鋼的腹板高與翼緣寬的比值通常在2～3之間[3]，本文構(gòu)件選取腹板高度H=180 mm，翼緣寬度B=60 mm。選取了直卷邊、斜卷邊和復(fù)雜卷邊三種卷邊形式，每種卷邊形式選擇兩種寬度，直卷邊和斜卷邊分別選取卷邊寬度d=20 mm和d=40 mm，復(fù)雜卷邊在選取尺寸時保持總長度相同，復(fù)雜卷邊Ⅰ型選取d=20 mm，a=20 mm，復(fù)雜卷邊Ⅱ型為d=30 mm，a=10 mm。板件間的彎曲半徑r=2.5 mm。三種截面形式如圖1所示。

2 有限元參數(shù)分析

有限元分析選取ANSYS中的Shell181單元，采用2.5 mm厚的Q345鋼板，屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3。分析模型如圖2所示，試件長L=2 700 mm，采用三分點(diǎn)加載，中間研究區(qū)段長度為900 mm。通過連接件將兩個相同截面的試件背對背連接在一起，防止試件發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形和側(cè)向變形。采用蓋板與試件上翼緣相連，避免施加荷載時兩側(cè)區(qū)段對中間研究區(qū)段的影響。

2.1 屈曲模式

短直卷邊、短斜卷邊和長斜卷邊構(gòu)件在特征值分析時發(fā)生了畸變屈曲，在非線性分析時也均發(fā)生了畸變屈曲。圖3a)為短直卷邊構(gòu)件的特征值屈曲分析時的畸變屈曲，由于短卷邊對翼緣的約束作用不足，構(gòu)件容易發(fā)生畸變屈曲，因此構(gòu)件發(fā)生了波形呈反對稱分布的畸變屈曲。非線性分析結(jié)果和特征值分析結(jié)果一致，構(gòu)件發(fā)生了畸變屈曲破壞，如圖3b)所示。

長直卷邊、復(fù)雜卷邊Ⅰ型和復(fù)雜卷邊Ⅱ型構(gòu)件在特征值分析時發(fā)生了局部屈曲，在非線性分析時則發(fā)生了局部和畸變的相關(guān)屈曲。圖4a)為復(fù)雜卷邊Ⅰ型構(gòu)件特征值分析結(jié)果，構(gòu)件在卷邊、受壓翼緣和腹板上均發(fā)生了局部屈曲，這是由于復(fù)雜卷邊對翼緣的約束作用較強(qiáng)，構(gòu)件更容易發(fā)生局部屈曲。在非線性分析中，因處在受壓區(qū)的翼緣剛度不足，而且沒有足夠的連接阻止翼緣的變形[4]，構(gòu)件出現(xiàn)了一定程度的畸變屈曲變形，發(fā)生了局部和畸變的相關(guān)屈曲，如圖4b)所示。

2.2 抗彎承載力

表1 各構(gòu)件抗彎承載力和屈曲模式

各構(gòu)件抗彎承載力和屈曲模式列于表1中，從表1可以看出，增加卷邊的長度或?qū)⒕磉厪澱鄢蓮?fù)雜卷邊后，抗彎承載力均有提高。長直卷邊比短直卷邊的抗彎承載力提高了16%，長斜卷邊比短斜卷邊的抗彎承載力提高了12%，復(fù)雜Ⅱ型卷邊比復(fù)雜Ⅰ型卷邊的抗彎承載力提高了0.5%。在卷邊總長度均為40 mm的構(gòu)件中，復(fù)雜卷邊Ⅱ型比長直卷邊的抗彎承載力提高了1%，比長斜卷邊的抗彎承載力提高了9%，復(fù)雜卷邊Ⅱ型構(gòu)件由于增加整個卷邊繞自身形心軸的慣性矩，提高了構(gòu)件的抗彎承載力，所以其抗彎承載力最高。

2.3 承載效率

下面通過計算各構(gòu)件的承載效率η進(jìn)一步衡量構(gòu)件承載能力的大小。

η=σu/fy

(1)

σu=M/W

(2)

式(1)中構(gòu)件的全界面應(yīng)力σu與材料屈服強(qiáng)度fy的比值即為承載效率η。式(2)中W為構(gòu)件的凈截面模量。

三組構(gòu)件的承載效率繪于圖5，從圖中可見，復(fù)雜卷邊構(gòu)件的承載效率最高，直卷邊的居中，斜卷邊的承載效率最低，這也與抗彎承載力大小的順序一致。復(fù)雜Ⅱ型構(gòu)件的承載效率提高最大，其抗彎承載力也最高。

3 結(jié)語

應(yīng)用有限元軟件ANSYS對直卷邊、斜卷邊和復(fù)雜卷邊的冷彎薄壁槽鋼受彎構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，得到以下結(jié)論：

1)卷邊形式對屈曲模式有明顯影響，長直卷邊和復(fù)雜卷邊對翼緣的約束作用較強(qiáng)，構(gòu)件發(fā)生了局部和畸變的相關(guān)屈曲，短直卷邊與斜卷邊的構(gòu)件則發(fā)生畸變屈曲。2)在卷邊總長度一定時，冷彎薄壁槽鋼構(gòu)件承載效率與卷邊形式密切相關(guān)，復(fù)雜卷邊的承載效率最高，直卷邊的次之，斜卷邊的最低。3)當(dāng)構(gòu)件為復(fù)雜卷邊時，增加初卷邊長度、減小再卷邊長度可提高冷彎薄壁槽鋼構(gòu)件的抗彎承載力。

[1] 鐘國輝.冷彎薄壁型鋼在房屋建筑中的研究與發(fā)展[J].建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2002(4):26-28.

[2] 王海明,張耀春.復(fù)雜卷邊冷彎型鋼受彎構(gòu)件屈曲性能研究[A].2007年全國輕型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)研討會論文集[C].2007:58-62．

[3] 王海明,張耀春.直卷邊和斜卷邊受彎構(gòu)件畸變屈曲性能研究[J].工業(yè)建筑,2008，38(6)：106-109.

[4] 王海明，張耀春.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)博士學(xué)位論文，2010:6-12．

The finite element analysis on cold-formed thin-walled steel channel flexural member with different edge stiffener types★

Jiang Tiebing Zhao Jinyou Zhang Libin

(CollegeofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040,China)

In order to investigate the influence of the edge stiffener type on the buckling mode and bending strength of cold-formed channel flexural member, the finite element program ANSYS has been adopted to study the cold-formed thin-walled steel channel flexural member with upright, inclined and complex edge stiffeners. It is shown that complex edge can further strengthen the constraint function of flexural member flange, improve the bending strength of the member and limit distortional buckling to some extent, and that the loading efficiency of flexural member with complex edge is the highest.

cold-formed steel channel flexural members, edge stiffener type, bending strength, buckling mode

1009-6825(2015)28-0032-02

2015-07-31

★：黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：E2015056)；黑龍江省博士后科研啟動項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：LBH-Q13004)

姜鐵冰(1989- )，男，在讀碩士； 趙金友(1977- )，男，副教授； 張力濱(1972- )，男，副教授

TU311.41

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