冷彎薄壁拼接梁承載力研究

孫雪倩　謝優(yōu)　余君宇　張揚(yáng)　楊凱文　李卓宇

摘? ?要：大型有限元軟件的發(fā)展，很大程度地提高了結(jié)構(gòu)的精度和效率，所以采用有限元模擬對(duì)冷彎薄壁拼接工字梁進(jìn)行分析。在鋼結(jié)構(gòu)中鋼梁作為主要的受彎構(gòu)件，截面形式大部分為工字型，在工字型截面基礎(chǔ)上，采用拼接截面。文章為了研究冷彎薄壁拼接梁的力學(xué)性能，對(duì)4種截面形式的鋼梁進(jìn)行有限元模擬，通過對(duì)有限元模擬結(jié)果的分析，探究腹板、翼緣對(duì)承載力的影響。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼;工字型;腹板;翼緣

冷彎薄壁工字形梁作為一種鋼梁結(jié)構(gòu)，廣泛運(yùn)用于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)與住宅中。其拼接梁結(jié)構(gòu)具有安裝靈活、方便運(yùn)輸、儲(chǔ)存、安裝等優(yōu)勢(shì)。但是受初始缺陷、局部屈曲、整體屈曲、平面外失穩(wěn)等材料及相關(guān)作用的影響，使理論分析、試驗(yàn)研究的進(jìn)行相當(dāng)困難。周緒紅、石宇等[1-3]采用試驗(yàn)和有限元方法對(duì)冷彎薄壁卷邊槽組合工字型梁的材料強(qiáng)度、受彎性能、腹板高厚比、板件寬度以及梁長(zhǎng)進(jìn)行了分析，并提出了鋼材種類、受壓翼緣寬厚比對(duì)受壓翼緣有效寬厚比的影響較大和計(jì)算冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字型梁極限承載力的計(jì)算方法。但是冷彎薄壁拼接工字梁很少有人研究，本文通過有限元模擬對(duì)冷彎薄壁拼接工字梁的極限承載力及跨中位移進(jìn)行分析。

1? ? 梁模型的尺寸

為了探究腹板、翼緣厚度對(duì)極限承載力的影響，分別建立了如表1中4種不同截面的模型，并利用ABAQUS對(duì)這4種模型進(jìn)行數(shù)值分析。梁體橫截面如圖1所示。

2? ? 有限元建模過程

2.1? 模型建立、材料及接觸定義

采用大型結(jié)構(gòu)分析軟件ABAQUS對(duì)梁模型進(jìn)行分析，選用彈性殼單元shell模擬冷彎薄壁拼接梁。假定冷彎薄壁型鋼梁為線彈性材料，取彈性模量E=2.06×1011，泊松比v=0.3。由于在極限承載力作用下，腹板翼緣不至于出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，故翼緣腹板之間的接觸采用綁定接觸。

2.2? 邊界條件、荷載

模型的邊界約束條件為：約束梁右段下邊緣在X，Y方向的線位移U1，U2和左端下邊緣在X，Y，Z方向的線位移U1，U2，U3。荷載采用兩點(diǎn)加載（三分點(diǎn)）。約束條件如圖2所示。

3? ? 結(jié)果對(duì)比

3.1? 側(cè)向支撐對(duì)承載力的影響

為了研究側(cè)向支撐對(duì)鋼梁的影響，設(shè)置了兩種加側(cè)向支撐的方式，分別為全支撐和部分支撐。結(jié)果表明，當(dāng)鋼梁材料、跨度一樣、截面尺寸都相同，僅改變鋼梁的側(cè)向支撐數(shù)量，鋼梁發(fā)生側(cè)向扭曲失穩(wěn)即喪失穩(wěn)定性的臨界荷載有較大的影響。鋼梁在全支撐情況下，側(cè)向支撐限制了梁的側(cè)向位移，有效提高了梁的承載力;鋼梁在部分支撐情況下，由于側(cè)向支撐減少，不能充分地限制鋼梁的側(cè)向位移，出現(xiàn)“S”型扭轉(zhuǎn)，梁體變形如圖3所示，鋼梁由于側(cè)向位移過大，導(dǎo)致其喪失承載力。

3.2? 翼緣厚度對(duì)變形的影響

通過數(shù)值差對(duì)比翼緣厚對(duì)豎向變形的影響：鋼梁選用同為2 mm厚腹板和分別選用4根2 mm，5 mm厚的翼緣進(jìn)行拼接，即1#梁和2#梁，前者在11.5 kN豎向力時(shí)，豎向位移為2.93 cm，后者在11.5 kN豎向力時(shí)，豎向位移為1.18 cm;在同為5 mm厚腹板的情況下，即3#梁和4#梁，前者在70 kN時(shí)，豎向位移為9.8 cm，相同豎向力，后者豎向位移為5.6 cm。通過數(shù)值差很容易看出，翼緣厚度的增大可以有效限制豎向變形。

3.3? 腹板厚度對(duì)變形的影響

通過數(shù)值差對(duì)比腹板厚度對(duì)豎向變形的影響：鋼梁選用同為2 mm厚的翼緣和分別選用4根2 mm，5 mm厚的腹板進(jìn)行拼接，即1#梁和3#梁，前者豎向位移為2.93 cm時(shí)，豎向力為11.5 kN，相同豎向位移下后者承載力為18.4 kN;在同為5 mm厚翼緣的情況下，即2#梁和4#梁，前者豎向位移為3.44 cm，對(duì)應(yīng)的豎向力為25.8 kN，同為3.44 cm豎向位移，后者豎向力為42.5 kN。通過對(duì)同條件不同腹板厚的鋼梁對(duì)比，說明腹板厚度的增大可以很好地限制梁的豎向變形。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

文章通過模擬不同厚翼緣、腹板的冷彎薄壁型工字型鋼梁，結(jié)果表明：翼緣厚度對(duì)豎向位移的限制有顯著提高，也在一定程度上限制了側(cè)向位移，提高了鋼梁的承載力。鋼梁其受荷情況僅為單一的荷載，即僅在上部翼緣承受集中荷載，在工程實(shí)踐中，鋼梁作為受彎構(gòu)件承受荷載一般較多，工況復(fù)雜，可能同時(shí)存在橫向均布荷載、橫向集中荷載、端彎矩以及偏心荷載等作用，所以針對(duì)兩種或多種荷載下新型截面形式鋼梁的穩(wěn)定性研究是冷彎薄壁型工字型鋼梁研究的一個(gè)重要方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周緒紅，石宇.低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（2）：2-14.

[2]石宇，周緒紅.冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字梁極限承載力[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011（6）：9-17.

[3]周緒紅，管宇.雙肢拼合冷彎薄壁型鋼工字形截面梁受彎性能研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2016（8）：17-27.

Abstract：With the development of large-scale finite element software， the accuracy and efficiency of the structure are greatly improved， so the finite element simulation is used to analyze the cold-formed thin-walled splicing I-beam. In the steel structure， the steel beam is the main flexural member， the section form is mostly I-shaped， on the basis of I-shaped section， splicing section is adopted. This paper in order to study the mechanical properties of cold-formed thin-walled spliced beams， four kinds of steel beams with different sections are simulated by finite element method. Through the analysis of the finite element simulation results， the effects of webs and flanges on bearing capacity were explored.

Key words：cold-formed thin-walled steel; I-shaped; web; flange