鋼結(jié)構(gòu)開孔板件凈截面抗剪性能研究

項(xiàng)陽 ，張?zhí)?，尹越 ，劉明輝

鋼結(jié)構(gòu)開孔板件凈截面抗剪性能研究

Research on the Net Section Shear Properties of Hole Cross-section Steel Plates

項(xiàng)陽11，張?zhí)?2，尹越22，劉明輝33

H型鋼受彎構(gòu)件拼接設(shè)計(jì)中通常假定剪力由腹板承受，采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行腹板拼接時(shí)，螺栓孔洞將改變腹板凈截面上的剪應(yīng)力分布，對(duì)腹板抗剪性能產(chǎn)生不利影響，本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS，建立開孔受剪板件有限元分析模型，分析了開孔直徑、開孔數(shù)量等對(duì)開孔板件凈截面上剪應(yīng)力大小和分布的影響，對(duì)螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進(jìn)行了研究。

受剪板件；孔洞削弱；開孔直徑；開孔數(shù)量

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件采用H型鋼截面時(shí)，腹板剪應(yīng)力分布如圖1所示，剪應(yīng)力大小可根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[1]由式（1）計(jì)算。

式中：

V——計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力

S——計(jì)算剪力處以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩

I——為毛截面慣性矩

tw——腹板厚度

當(dāng)H型鋼受彎構(gòu)件在進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用彎矩由翼緣承擔(dān)，剪力由腹板承擔(dān)的簡化方法計(jì)算。H型鋼受彎構(gòu)件的拼接節(jié)點(diǎn)，通常采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行腹板拼接，連接安裝方便，但由于螺栓孔洞的存在，將改變腹板凈截面上的剪應(yīng)力分布，對(duì)腹板抗剪性能產(chǎn)生不利影響，孔洞對(duì)受剪板件凈截面剪應(yīng)力的影響在式（1）中未予考慮，對(duì)開孔受剪板件的凈截面抗剪性能的相關(guān)研究[2]也很少。

本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS[3]，建立開孔受剪板件有限元分析模型，分析了開孔直徑、開孔數(shù)量等對(duì)開孔板件凈截面上剪應(yīng)力大小和分布的影響，對(duì)螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進(jìn)行了研究。

2 開孔受剪板件凈截面剪應(yīng)力分析

2.1 分析模型

受剪板件尺寸取為550mm×670mm×12mm，如圖2所示，板件左邊設(shè)置固端約束，右邊施加均布剪切荷載，總剪力值415.75kN。分兩種情況分析孔洞對(duì)受剪板件凈截面上剪應(yīng)力分布及大小的影響：（1）在板件中心開一個(gè)孔洞，孔洞直徑D分別取50、100、150及200mm；（2）沿板中心線開孔，孔洞直徑50mm，孔洞數(shù)量n取為1、2、3、4，孔洞布置如表1所示。

采用通用有限元軟件ABAQUS建立開孔受剪板件有限元分析模型，如圖3所示，所有單元均采用板殼單元S4R。

2.2 分析結(jié)果

有限元分析得到的無孔洞板件最大剪應(yīng)力為80.4MPa，與按規(guī)范式（1）所得截面最大剪應(yīng)力77.6MPa基本一致。

表1不同孔洞數(shù)量時(shí)孔洞布置情況

板件中心開一個(gè)孔洞（D=50、100、150及200mm）對(duì)板件凈截面上剪應(yīng)力分布與大小的影響如圖4所示?？梢钥闯?，板件中心開孔后，孔邊剪應(yīng)力較小，但在孔邊附近剪應(yīng)力急劇增大到最大值，最大剪應(yīng)力比無孔洞板件最大剪應(yīng)力有較大幅度增大，孔徑D越大，最大剪應(yīng)力增幅越大，如圖5所示，孔徑D=200mm時(shí)，最大剪應(yīng)力達(dá)到113.7MPa，接近無孔洞板件最大剪應(yīng)力的1.5倍。另外，開孔板件與不開孔板件比較，最大剪應(yīng)力增幅明顯，孔洞直徑對(duì)最大剪應(yīng)力的影響相對(duì)較小。

沿板件中心線開多個(gè)孔洞（n=1、2、3、4）時(shí)，板件凈截面上剪應(yīng)力分布如圖6所示。可以看出，開多個(gè)孔洞時(shí)，板件凈截面上的剪應(yīng)力分布大趨勢(shì)與無孔洞板件相似，中間大、兩端小，同時(shí)，由于孔洞將板件截面分割為若干獨(dú)立的小區(qū)段，在每個(gè)小區(qū)段內(nèi)，剪應(yīng)力同樣遵循中間大、兩端小的分布規(guī)律；由于孔洞的存在，板件凈截面最大剪應(yīng)力均有一定幅度的增大，但增幅并不僅僅取決于孔洞數(shù)量，還與孔洞布置有關(guān)。

3 螺栓孔削弱板件抗剪性能分析

受剪板件尺寸見圖2，沿中線設(shè)置螺栓孔8個(gè),孔徑26mm,端距55mm，中心距80mm。分螺栓孔內(nèi)有、無螺栓兩種情況分析板件凈截面上的剪應(yīng)力。采用ABAQUS建立有限元分析模型時(shí)，螺栓簡化為解析剛體。

螺栓孔削弱板件凈截面上的剪應(yīng)力與無孔洞板件比較如圖7所示?？梢钥闯?，螺栓孔削弱板件凈截面上的剪應(yīng)力分布在整體趨勢(shì)及小區(qū)段上均遵循中間大、兩端小的規(guī)律，最大剪應(yīng)力值均有所增大；螺栓孔內(nèi)有螺栓時(shí)的最大剪應(yīng)力比螺栓孔內(nèi)無螺栓時(shí)有所降低，這是由于螺栓的抗剪、承壓傳遞了部分剪力。計(jì)算兩種情況板件凈截面上剪力合力可知，通過螺栓傳遞的剪力約為總剪力的25%，靠近中部的螺栓所傳遞的剪力最大，而端部的螺栓傳遞的剪力較小。

4 結(jié)論

（1）受剪板件中心開孔，孔邊剪應(yīng)力較小，但在孔邊附近剪應(yīng)力急劇增大到最大值，最大剪應(yīng)力比無孔洞板件最大剪應(yīng)力有較大幅度增大，孔徑越大，最大剪應(yīng)力增幅越大；

（2）受剪板件在同一截面開多個(gè)孔洞時(shí)，板件凈截面上的剪應(yīng)力分布在整體趨勢(shì)及小區(qū)段上均遵循中間大、兩端小的規(guī)律，最大剪應(yīng)力值增大幅度與孔洞數(shù)量及孔洞布置有關(guān)；

（3）由于螺栓通過抗剪、承壓能傳遞部分剪力，螺栓孔內(nèi)有螺栓時(shí)，板件凈截面上的最大剪應(yīng)力比螺栓孔內(nèi)無螺栓時(shí)有所降低。

[1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社,2003.

[2]Paik JK.Ultimate strength of perforated steel plates under edge shear loading.Thin-Walled Structures 2007,45:301-306.

[3]ABAQUS,Inc.ABAQUS.Ver6.9.analysis user′s manual,2010.

TU391

A

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2011-07-26；

呂 光