Q460級(jí)冷彎厚壁方鋼管局部屈曲性能研究

張鼎

摘要： 本文采用ANSYS考慮雙重非線性，對(duì)25根強(qiáng)度為460MPa，長(zhǎng)細(xì)比為20的短柱局部屈曲進(jìn)行了有限元分析，得出了局部屈曲極限承載力。此外，分析了寬厚比和方鋼管彎角部位半徑對(duì)其局部屈曲承載力的影響，并與焊接方形截面進(jìn)行了對(duì)比。

Abstract： In this paper， ANSYS is used to consider the double nonlinearity. The local buckling of 25 short columns with an ultimate strength of 460 MPa and a slenderness ratio of 20 is analyzed by finite element method. The ultimate buckling strength of local buckling is obtained. In addition， the effects of aspect ratio and radius of square steel tube corner on local buckling capacity are analyzed and compared with that of welded square section.

關(guān)鍵詞： 冷彎厚壁；方鋼管；局部屈曲；極限承載力

Key words： cold-formed thick wall；square steel pipe；local buckling；ultimate bearing capacity

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）18-0158-02

0 引言

冷彎厚壁方鋼管具有生產(chǎn)工業(yè)化程度高、質(zhì)量易保證、相同截面面積情況下回轉(zhuǎn)半徑大等優(yōu)點(diǎn)。符合軸壓構(gòu)件對(duì)截面開展，雙軸等穩(wěn)，抗扭性好、整體穩(wěn)定承載力高等要求[1-3]。2017年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展高峰論壇暨中聯(lián)鋼年會(huì)指出鋼結(jié)構(gòu)未來(lái)用料的發(fā)展方向是高強(qiáng)度和冷彎方矩管[4]。日本已可生產(chǎn)出斷面為1000×1000×25的冷彎方矩管，此種截面的構(gòu)件在高層建筑中應(yīng)用廣泛。在設(shè)計(jì)中，為了使截面材料得到有效利用，板件寬厚比常常超過(guò)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]（GB50017-2003）（以下簡(jiǎn)稱“03規(guī)范”）規(guī)定的限值40。而冷彎厚壁方鋼管生產(chǎn)過(guò)程中的冷彎效應(yīng)使板件及彎角部位屈服強(qiáng)度均有不同程度的提高[6-10]，這使得寬厚比限值進(jìn)一步降低，構(gòu)件更容易發(fā)生局部屈曲。由于方鋼管的板件處于四邊支承狀態(tài)，屈曲后強(qiáng)度很高；適當(dāng)放寬板件寬厚比，利用屈曲后強(qiáng)度，可提高構(gòu)件的承載力，達(dá)到節(jié)約鋼材的目的[11-12]。相較于焊接方形截面，冷彎方鋼管板件的實(shí)際寬度更小，理論上其局部屈曲承載力應(yīng)更高；但是彎角部位對(duì)板件的約束作用不明確。所以，對(duì)高強(qiáng)冷彎厚壁方鋼管局部屈曲性能進(jìn)行研究有重要意義。

1 有限元模型建立

考慮幾何非線性和材料非線性，建立三維實(shí)體幾何模型，劃分網(wǎng)格生成有限元模型。然后進(jìn)行特征值屈曲分析和非線性屈曲分析，得到考慮幾何初始缺陷、冷彎硬化效應(yīng)和冷彎殘余應(yīng)力影響的極限承載力。

1.1 單元類型選擇

本文選取SOLID186高階3維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立模型。該單元具有二次位移，適用于模擬不規(guī)則網(wǎng)格。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有x、y、z三個(gè)方向的平移自由度，并具有塑性、大變形和大應(yīng)變能力。

1.2 模型基本參數(shù)與邊界條件

模型采用von Mises屈服準(zhǔn)則，相關(guān)流動(dòng)法則，等向強(qiáng)化準(zhǔn)則。彈性模量E=206kN/mm2，切線模量Et=0.03E，泊松比ν=0.3，屈服強(qiáng)度取試驗(yàn)實(shí)測(cè)值。冷彎厚壁方鋼管截面如圖1所示。

構(gòu)件兩端設(shè)有剛性端板，為模擬實(shí)際工程中的鉸接，令端板僅可以繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)。約束底部端板x軸方向中線的x、y向自由度和端板中心的z向自由度；約束頂部端板x軸方向中線的x、y向自由度。采用以位移控制的加載方式。構(gòu)件截面參數(shù)如表1所示。

1.3 幾何初始缺陷

模型同時(shí)考慮構(gòu)件的整體初始缺陷和板件的初始缺陷。根據(jù)《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼尺寸、重量、外形及允許偏差》[13]（GB/T 6728-2002）的要求，構(gòu)件整體初彎曲幅值取L/1000，L為構(gòu)件長(zhǎng)度；板件初彎曲幅值取3b/1000，b為截面邊長(zhǎng)。分別采用整體和局部的第一階屈曲模態(tài)乘以相應(yīng)的幅值對(duì)模型施加初始幾何缺陷。

1.4 雙重非線性

模型非線性分析采用弧長(zhǎng)法，求解過(guò)程考慮雙重非線性（材料非線性和幾何非線性）。ANSYS中通過(guò)采用雙線性各向同性強(qiáng)化模型來(lái)實(shí)現(xiàn)材料非線性，通過(guò)打開幾何大變形來(lái)實(shí)現(xiàn)幾何非線性。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文對(duì)屈服強(qiáng)度為460MPa、寬厚比B/T=37.5、43.75、50、56.25、62.5五種截面（根據(jù)“03規(guī)范”[5]，Q345鋼的寬厚比限值為40=28），每種寬厚比分別取彎角半徑為16、20、24、28、32的25根構(gòu)件局部屈曲進(jìn)行了有限元模擬。局部屈曲極限承載力結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，高強(qiáng)冷彎厚壁方鋼管局部屈曲極限承載力隨著彎角半徑的增大而增大。在分析寬厚比對(duì)局部屈曲極限承載力的影響時(shí)，為了剔除截面面積對(duì)其局部屈曲承載力的影響，采用屈曲荷載來(lái)進(jìn)行比較。如表3所示。

由表3可以看出，高強(qiáng)冷彎厚壁方鋼管局部屈曲極限承載力隨著寬厚比的增大而下降。由圖2可以看出，其局部屈曲承載力隨彎角半徑增大的增幅隨著寬厚比的增大而逐漸降低。且冷彎型鋼的局部屈曲承載力大于焊接方形截面。

3 結(jié)論

綜上，本文通過(guò)對(duì)25根強(qiáng)度為460MPa，長(zhǎng)細(xì)比為20的短柱局部屈曲進(jìn)行有限元分析，對(duì)于高強(qiáng)冷彎厚壁方鋼管局部屈曲承載力得出以下四個(gè)結(jié)論：第一，在寬厚比一定時(shí)，構(gòu)件的局部屈曲承載力隨彎角半徑的增大而增大；第二，在彎角半徑一定時(shí)，構(gòu)件的局部屈曲承載力隨寬厚比的增大而下降；第三，局部屈曲承載力隨彎角半徑增大的增幅隨著寬厚比的增大而逐漸降低；第四，冷彎型鋼的局部屈曲承載力大于焊接方形截面。且兩種截面回轉(zhuǎn)半徑基本相同，所以在工程應(yīng)用中冷彎型鋼的承載力更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]王小平，汪輝，蔣滄如.考慮初始缺陷的厚壁冷彎方鋼管柱承載力研究[J]，廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（02）：30-33，50.

[2]陳娟.考慮初始缺陷的中厚壁冷彎方矩管極限承載力分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[3]高恒.中厚壁冷彎鋼管柱軸壓承載力試驗(yàn)研究與分析[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[4]中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)，第十四屆中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展高峰論壇，北京：[出版不詳]，2016.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB50017-2003，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]李黎明，姜忻良，陳志華，李寧.冷彎厚壁型鋼鋼管冷作硬化效應(yīng)[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41（1）：85-91.

[7]胡盛德，李立新，周緒昌，常慶明，張恒.250mm×250mm×9.2mm 厚壁方形型鋼管冷作硬化效應(yīng)研究[J].工程力學(xué)，2010，27（11）：172-177.

[8]Yao-Jie Guo， Ai-Zhu Zhu， Yong-Lin Pi， et al. Experimental study on compressive strengths of thick-walled cold-formed sections[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2007（63）：718-723.

[9]郭耀杰，朱愛珠.冷彎厚壁型鋼冷彎效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2004增刊.

[10]朱愛珠.冷彎厚壁型鋼冷彎效應(yīng)試驗(yàn)研究及冷彎殘余應(yīng)力場(chǎng)分析[D].武漢大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[11]申紅俠.高強(qiáng)度鋼焊接方形截面軸心受壓構(gòu)件的局部和整體相關(guān)屈曲[J].工程力學(xué)，2012，29（7）：221-227.

[12]李清揚(yáng)，馮圓圓，等.高強(qiáng)等邊角鋼軸壓桿局部-整體相關(guān)屈曲分析[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016.

[13]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 6728-2002，結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼尺寸、重量、外形及允許偏差[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.