L形閉口截面壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力試驗(yàn)與數(shù)值分析

趙滇生,陳 臻

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

L形閉口截面壓彎構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力試驗(yàn)與數(shù)值分析

趙滇生,陳 臻

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014)

先設(shè)計(jì)制作了4個(gè)不同截面的L形閉口截面壓彎試件,通過(guò)加載試驗(yàn)分析試件的整體穩(wěn)定性。然后采用有限元軟件建立模型,并將數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,以驗(yàn)證有限元模型的可靠性。最后與規(guī)范計(jì)算值作比較,分析L形閉口截面壓彎構(gòu)件整體失穩(wěn)特性。

整體穩(wěn)定；L形閉口截面；異形構(gòu)件

近年來(lái),國(guó)家大力推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅,而異形鋼柱在鋼結(jié)構(gòu)住宅中的應(yīng)用對(duì)增加建筑使用面積與美化建筑外觀有不小益處[1]。其中L形閉口截面柱用于鋼結(jié)構(gòu)住宅的角柱,具有良好的應(yīng)用前景。

1 L形閉口截面構(gòu)件整體穩(wěn)定試驗(yàn)分析

1.1 試驗(yàn)概況

共制作了4個(gè)L形閉口截面壓彎試件,采用Q235B鋼材,長(zhǎng)度3 m,為了便于制作,試驗(yàn)所用試件由3個(gè)4 mm壁厚的矩形鋼管采用間斷焊縫焊接而成,焊接使用E43焊條,焊腳尺寸4 mm。4個(gè)試件的主要截面參數(shù)見(jiàn)表1。

本試驗(yàn)試件在兩端分別設(shè)置了頂板與底板,板厚16 mm。試件上下兩端彎矩作用平面內(nèi)為鉸接,彎矩作用平面外為嵌固。試件于頂部、中部、底部分別布置應(yīng)變片與位移計(jì),以測(cè)量相應(yīng)的應(yīng)變與位移值,試件立面與測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。圖1中,x軸為強(qiáng)軸,y軸為弱軸。

試驗(yàn)加載儀器采用YAW-5000F型長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī),通過(guò)液壓方式加載。通過(guò)它可獲取荷載與柱頂豎向位移值。

表1 試件截面尺寸及幾何特征

1.2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

4個(gè)試件受力性能基本相似。加載初期,每級(jí)加載應(yīng)變與位移讀數(shù)增長(zhǎng)較慢,試件變形不明顯,隨著荷載的增大, 每級(jí)荷載的應(yīng)變位移值級(jí)差漸漸加大。繼續(xù)加載,荷載達(dá)到極限,荷載值不再增加,甚至下降,位移值持續(xù)增加,可觀察到試件明顯彎曲,部分中間截面應(yīng)變值持續(xù)變化。加載過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖1 試件示意圖

試驗(yàn)中,測(cè)點(diǎn)D5位移值一直很小,表明試件沒(méi)有發(fā)生平面外的彎曲。D3、D4測(cè)點(diǎn)位移值十分接近,表明試件基本沒(méi)有扭轉(zhuǎn)。從而證實(shí),對(duì)于單軸對(duì)稱L形閉口截面壓彎構(gòu)件,彎矩繞截面非對(duì)稱軸作用時(shí),將發(fā)生彎矩作用平面內(nèi)的彎曲屈曲[2]。

圖2 加載過(guò)程圖

2 L形閉口截面構(gòu)件整體穩(wěn)定有限元分析

2.1 模型的建立

采用ANSYS軟件建立了與試件相同尺寸的有限元模型,單元為shell 181殼單元[3],材料本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性,單元?jiǎng)澐殖叽缛?0 mm。模型將兩矩形鋼管焊接在一起的邊簡(jiǎn)化為一條邊,將其厚度取為鋼管壁厚的2倍。模型在構(gòu)件兩端的形心分別建立了一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)定義為MASS 21單元,將兩端面的所有殼單元節(jié)點(diǎn)與其耦合。模型考慮了鋼柱的初彎曲與殘余應(yīng)力,初始撓度設(shè)置為長(zhǎng)度的1‰。根據(jù)文獻(xiàn)[4],焊接殘余壓應(yīng)力峰值設(shè)置為-0.3fy。

2.2 有限元分析結(jié)果

有限元分析得到4個(gè)模型的極限承載力、位移與應(yīng)力等數(shù)據(jù)。N-v關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3,極限承載力結(jié)果見(jiàn)表2。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差值小于8.5%,且兩者N-v曲線十分相近,故數(shù)值分析結(jié)果能較好地反映鋼柱整體失穩(wěn)的實(shí)際情況。兩者結(jié)果存在一定誤差,主要原因有兩個(gè),一方面是建模時(shí)將兩矩形鋼管焊接在一起的邊簡(jiǎn)化為一條邊,另一方面是有限元分析的初始缺陷與實(shí)際情況不盡一致。

圖3 有限元與試驗(yàn)N-v曲線對(duì)比

表2 試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

注:Ns為試驗(yàn)所得的極限荷載；Nm為ANSYS非線性分析所得的極限荷載。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算結(jié)果

結(jié)合目前鋼結(jié)構(gòu)住宅中的常見(jiàn)墻體規(guī)格,調(diào)整有限元計(jì)算參數(shù)計(jì)算。設(shè)置5種構(gòu)件截面,截面參數(shù)見(jiàn)表3?？紤]到鋼材性能的利用率,實(shí)際工程較有可能采用鋼板焊接的方式組成L形閉口截面,截面示意圖見(jiàn)圖4,點(diǎn)O為截面形心點(diǎn)。本節(jié)構(gòu)件鋼材均采用Q345。

圖4 截面示意圖

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]第5.2.5條給出了雙向壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算公式,彎矩繞弱軸作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定計(jì)算采用式(1)。穩(wěn)定系數(shù)參考鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中b類截面軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。對(duì)比式(1)與有限元分析結(jié)果(表4)。同有限元分析結(jié)果相比式(1)計(jì)算結(jié)果偏大10%以內(nèi),故式(1)可作為單軸對(duì)稱L形閉口截面壓彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)公式。

+η+≤f (1)

注:A為截面面積,t為厚度。

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

注:l為構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度；ex′、ey′分別為軸力作用點(diǎn)到x、y軸的距離；Ng為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算軸力；Nm為有限元計(jì)算軸力。

式中：Wx、Wy分別為對(duì)x、y軸的毛截面抵抗拒；

φy為對(duì)y軸的軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)；

βtx為等效彎矩系數(shù),按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.2條彎矩作用平面外穩(wěn)定計(jì)算的有關(guān)規(guī)定采用；

φbx￣為均勻彎曲的受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù),對(duì)閉口截面取1.0；

βmy為等效彎矩系數(shù),按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5.2.2條彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算的有關(guān)規(guī)定采用；

η為截面影響系數(shù),閉口截面取0.7；

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)分析表明,單軸對(duì)稱L形閉口截面壓彎構(gòu)件作為鋼結(jié)構(gòu)框架角柱,其整體穩(wěn)定性計(jì)算僅需計(jì)算彎矩繞弱軸作用平面內(nèi)的穩(wěn)定性。

有限元與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明有限元建模方法正確可靠,對(duì)于不同長(zhǎng)細(xì)比、偏心距、截面尺寸的單軸對(duì)稱L形閉口截面壓彎構(gòu)件，可采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范公式計(jì)算,計(jì)算結(jié)果偏于安全。

[1] 陳志華. 鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)異形柱[J].鋼結(jié)構(gòu),2006(2):27-29．

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[3] 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007．

[4] 陳紹蕃. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]3版.北京:科學(xué)出版社, 2005．

[5] 北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[6] 柳楊青,王恒華,蔡建國(guó),等.閉口截面異形柱軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015(5):923-928．

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Overall Stability Bearing Capacity Test and Numerical Analysis of the Bentmember with L-Typed Closed Section

ZHAODiansheng,CHENZhen

2017-05-05

趙滇生(1957—),男，浙江義烏人，副教授，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)。

TU323

A

1008-3707(2017)06-0008-04