波紋鋼結(jié)構(gòu)高溫壓彎性態(tài)數(shù)值模擬與理論分析

丁文其 馬暢 劉常浩 郭英杰 張清照

摘要：通過建立有限元模型的方法，對波紋鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的壓彎性態(tài)進行研究，并結(jié)合理論設(shè)計方法提出了波紋鋼結(jié)構(gòu)N-M-T（軸力-彎矩-溫度）曲面。研究結(jié)果表明：波紋鋼結(jié)構(gòu)受力變形與破壞特征與常溫時基本一致，但高溫下結(jié)構(gòu)的初始剛度和極限荷載均有所降低；溫度低于500℃時，溫度升高對波紋鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響并不明顯，超過500℃時結(jié)構(gòu)力學(xué)性能迅速劣化；根據(jù)波紋鋼結(jié)構(gòu)截面（N，M，T）坐標點與N-M-T曲面的相對位置關(guān)系，可初步判斷此時結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：波紋鋼；高溫；壓彎性態(tài)；有限元模型；理論分析

基金項目： 長大公路隧道突發(fā)事故應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)與裝備項目課題一（2021YFC3002001）；上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”社會發(fā)展科技攻關(guān)項目（No.20dz1202600）。

0? ?引言

波紋鋼作為一種柔性支護，具有強度高、加工便利、施工快速等優(yōu)點，可以充分發(fā)揮圍巖自身承載能力。目前國內(nèi)外對于波紋鋼的研究已經(jīng)不少。陳玉留[1]建立了正常荷載和泥石流荷載下的波紋鋼支護明洞二維有限元模型，結(jié)果表明兩種工況下波紋鋼支護可以滿足明洞結(jié)構(gòu)的變形要求。李國鋒[2]根據(jù)棋盤山隧道波紋鋼初期支護實際施工情況，總結(jié)了波紋鋼支護施工技術(shù)并開展了施工全過程的三維數(shù)值模擬。許浩東[3]結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元模型分析，分析了隧道開挖對波紋鋼支護結(jié)構(gòu)與圍巖受力特征的影響，驗證了波紋鋼整體支護結(jié)構(gòu)在臺階法施工中的安全性。白祖應(yīng)[4]對云南高山寨隧道中波紋鋼和混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變進行實地監(jiān)測，并通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)明洞兩側(cè)拱腳受力較大。

波紋鋼結(jié)構(gòu)用作隧道支護結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，但鋼結(jié)構(gòu)在高溫下力學(xué)性能會迅速劣化，從而影響支護結(jié)構(gòu)整體安全性，因此有必要對波紋鋼結(jié)構(gòu)在高溫下的性能展開研究。

1? ?模型建立

本次模型采用的波紋鋼截面波距為300mm，波高為110mm，壁厚為5mm，試件波數(shù)為2。數(shù)值模擬波紋鋼結(jié)構(gòu)單元類型為八結(jié)點線性六面體單元。

1.1? ?材料本構(gòu)關(guān)系

歐洲規(guī)范給出了建議的鋼材高溫力學(xué)參數(shù)計算公式，本文中材料力學(xué)參數(shù)主要參考歐洲規(guī)范的計算方法。

1.1.1? ?屈服強度

T溫度時鋼材強度（fy，T）與常溫下屈服強度（fy）的比值按表1取值，其余溫度時取區(qū)間線性插值。本文中波紋鋼板等級為Q345，常溫下屈服強度標準值為345MPa。

1.1.2? ?彈性模量

T溫度時鋼材彈性模量（Es，T）與常溫下鋼材彈性模量（Es）的比值按表2取值，其余溫度時取區(qū)間線性插值。本文常溫下鋼材彈性模量（Es）取值200GPa。鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性材料模型，泊松比取常數(shù)0.3。

1.2? ?邊界條件及加載方式

邊界條件設(shè)置如圖1所示。在波紋鋼固定端限制所有自由度，邊界條件為完全固定。壓彎工況通過施加偏心荷載的方法實現(xiàn)。先在波紋鋼結(jié)構(gòu)加載端對稱軸上創(chuàng)建參考點，將參考點與加載端上各點相耦合，然后在參考點施加指向固定端的集中荷載。

2? ?工況設(shè)置

為研究高溫對波紋鋼力學(xué)性能的影響，模型設(shè)置常溫工況和高溫工況進行對比。由表1、表2可得波紋鋼結(jié)構(gòu)在100℃時與常溫（20℃）時力學(xué)參數(shù)相同，而達到1000℃時鋼材完全喪失強度。因此高溫工況考慮200～900℃，間隔100℃。壓彎工況考慮不同偏心距e，即參考點與純彎時截面中和軸之間的數(shù)值距離。對于本文中波紋鋼結(jié)構(gòu)，在正負彎矩作用下受力特征基本一致，因此僅考慮正彎矩工況，設(shè)置4種偏心距，分別為0.01m、0.03m、0.06m和0.15m。故本次計算考慮不同溫度及偏心距下波紋鋼結(jié)構(gòu)的壓彎性能，共40個工況。

3? ?計算結(jié)果分析

3.1? ?常溫壓彎性態(tài)

以偏心距e=0.15m為例，常溫20℃下波紋鋼板壓彎荷載下受力變形如圖2所示。從圖2可以看出，結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)明顯的壓彎特征，縱向壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的最大值分別位于波紋鋼板波峰和波板。當軸力N達到240.2kN時，波紋鋼板全截面屈服進入塑性狀態(tài)，并最終失效破壞。

圖3為常溫下不同偏心距e波紋鋼結(jié)構(gòu)的軸力-位移（N-u）曲線，其中位移u為加載端中間波峰處的豎向位移。由圖3可看出，不同偏心距下結(jié)構(gòu)初始抗彎剛度基本相同。隨著荷載增大，波紋鋼波峰和波谷處逐漸屈服，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗彎剛度減小。當達到極限荷載時，位移u迅速增加，結(jié)構(gòu)最終破壞。偏心距e越大，則結(jié)構(gòu)抗彎剛度越早開始降低，即波紋鋼板越早開始屈服，并最終極限荷載也隨著偏心距增大而逐漸減小。

3.2? ?高溫壓彎性態(tài)

以偏心距e=0.15m為例，高溫700℃下波紋鋼板壓彎荷載下受力變形如圖4所示。由圖4可看出，結(jié)構(gòu)仍呈現(xiàn)與常溫時相似的力學(xué)性態(tài)，即波峰處壓應(yīng)力和波谷處拉應(yīng)力最大，最終全截面屈服破壞。但達到破壞時軸力僅為55kN，相比常溫時降低了77.1%，可見高溫作用極大降低了波紋鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。

部分溫度T作用下波紋鋼結(jié)構(gòu)N-u曲線如圖 5所示。由圖5可看出，隨著溫度T的升高，結(jié)構(gòu)初始剛度和極限荷載都逐漸減小。其中溫度由20℃升高至500℃時，結(jié)構(gòu)承載能力降低并不明顯，而溫度超過500℃時結(jié)構(gòu)力學(xué)性能迅速劣化，因此應(yīng)將500℃作為重點關(guān)注溫度。

4? ?波紋鋼正截面N-M-T曲面

根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》（GB51249—2017），高溫下（單軸）波紋鋼壓彎構(gòu)件正截面強度可按式（1）進行計算：

（1）

式中：N為軸力，A為波紋鋼截面面積，M為波紋鋼構(gòu)件截面彎矩，γ為塑性發(fā)展系數(shù)，W為截面模量，fy，T為鋼材高溫屈服強度。

根據(jù)數(shù)值模型計算得到不同溫度T和偏心距e下波紋鋼結(jié)構(gòu)的N-u曲線，可得各工況破壞時的極限軸力Nul，T，與之對應(yīng)的極限彎矩Mul，T可按公式（2）進行計算：

Mul，T=Nul，T（e+ea）? ? ? ? ? ?（2）

式中：ea為結(jié)構(gòu)彎曲變形附加偏心距，取集中力荷載等于Nul，T時波紋鋼加載端截面形心的豎向位移。

在對隧道工程進行設(shè)計時，襯砌結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩分布通常是通過軟件計算得到，不同截面的軸力和彎矩值一般也是不同的。因此為了方便對于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算，可通過計算得到結(jié)構(gòu)在不同偏心距e下的極限荷載（軸力Nul，T、彎矩Mul，T）。由此繪制結(jié)構(gòu)正截面N-M曲線，從而能夠簡便地得到結(jié)構(gòu)抗力并判斷結(jié)構(gòu)此時的安全性。

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）推薦采用安全系數(shù)法，來驗算隧道結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面強度，并應(yīng)滿足下式：

KS≤R? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：K為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，應(yīng)根據(jù)不同荷載組合進行取值；S為考慮組合效應(yīng)的荷載標準值；R為結(jié)構(gòu)抗力標準值。

極限軸力Nul，T和極限彎矩Mul，T可結(jié)合式（2）進行計算，其中fy，T常溫下可取Q345鋼材屈服強度即345MPa，高溫工況下按表1中系數(shù)進行折減。按不同溫度工況計算得到一系列（Nul，T，Mul，T）。

圖6為不同溫度下?lián)Q算為每延米的正截面臨界N-M曲線，該曲線力學(xué)意義即為式（3）中的結(jié)構(gòu)抗力R。由圖6可看出，不同溫度下波紋鋼正截面N-M曲線實際上均為直線，隨溫度升高逐漸內(nèi)縮，即波紋鋼板極限荷載隨溫度升高按比例折減，折減系數(shù)即為表2中高溫與常溫下屈服強度比值fy，T/fy。同時可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型結(jié)果與理論計算曲線吻合度較高，說明理論曲線的合理性。

當溫度T已知時，便可根據(jù)式（2）計算得到的相應(yīng)正截面N-M曲線，再按照式（4）中荷載組合標準值S和安全系數(shù)K計算出波紋鋼截面軸力和彎矩點（N，M）。若該軸力彎矩點的位置在相應(yīng)正截面N-M曲線包絡(luò)以內(nèi)，說明此時波紋鋼結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，反之則可能發(fā)生破壞。

為了更加直觀的顯示不同溫度下正截面N-M曲線的變化規(guī)律，在N-M坐標軸上添加溫度T作為第三坐標軸，繪制波紋鋼結(jié)構(gòu)正截面N-M-T曲面（見圖7）。對于給定的軸力、彎矩和溫度，即可根據(jù)其對應(yīng)的三維坐標點（N，M，T）與圖7中曲面的位置關(guān)系，來確定波紋鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

5? ?結(jié)束語

本文使用有限元分析軟件ABAQUS建立了典型截面波紋鋼構(gòu)件數(shù)值模型，探究了不同溫度和偏心距下波紋鋼結(jié)構(gòu)壓彎性態(tài)，并結(jié)合理論設(shè)計方法提出了波紋鋼正截面N-M-T曲面，具體結(jié)論如下：

常溫下波紋鋼壓彎結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力位于波峰，最大拉應(yīng)力位于波谷，破壞時全截面達到塑性狀態(tài)。高溫下波紋鋼結(jié)構(gòu)受力變形破壞性態(tài)與常溫下基本一致，隨著溫度T的升高，結(jié)構(gòu)初始剛度和極限荷載都逐漸減小，當溫度達到700℃時，極限軸力相比常溫下降低了77.1%。當溫度T不超過500℃時，隨著溫度升高波紋鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能下降并不明顯，溫度達到500℃時結(jié)構(gòu)力學(xué)性能迅速劣化，因此應(yīng)將500℃作為重點關(guān)注溫度。根據(jù)波紋鋼結(jié)構(gòu)截面的（軸力，彎矩，溫度）即（N，M，T）坐標點與N-M-T曲面的相對位置，可判斷結(jié)構(gòu)的安全性，坐標點在曲面內(nèi)結(jié)構(gòu)相對安全，在曲面外則有結(jié)構(gòu)失效的風險。

參考文獻

[1] 陳玉留，譚文明，吳天祥，等.波紋鋼在明洞中的應(yīng)用及有限元分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（S2）：1130-1138.DOI：10.13807/j.cnki.mtt.2018.S2.145.

[2] 李國鋒，丁文其，業(yè)海，等.隧道波紋鋼裝配式初期支護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2020，16（S1）：178-184.

[3] 許浩東，張清照，陳保祥，等.公路隧道波紋鋼整體式支護結(jié)構(gòu)施工力學(xué)特性研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：74-81.DOI：10.13807/j.cnki.mtt.2022.S1.008.

[4] 白祖應(yīng)，黃煊博，丁文其，等.波紋鋼連拱明洞公路隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：635-642.DOI：10.13807/j.cnki.mtt.2022.S1.076.