王全邦 趙金友 董俊巧
(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構(gòu)件有限元分析★
王全邦 趙金友 董俊巧
(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)
為了研究卷邊形式對(duì)加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構(gòu)件抗彎承載力的影響,在純彎和非純彎狀態(tài)下,對(duì)(短、長)直卷邊和(短、長)斜卷邊加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析,分析結(jié)果表明:卷邊形式是影響構(gòu)件抗彎承載力的重要因素,構(gòu)件在非純彎狀態(tài)下的抗彎承載力均高于純彎狀態(tài)下的抗彎承載力。
冷彎薄壁型鋼,卷邊形式,加勁,抗彎承載力
由于冷彎薄壁型鋼具有強(qiáng)度高、板件薄、延性好、截面形式靈活多樣、不損壞涂層以及可以大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),冷彎薄壁型鋼Z形和C形截面被廣泛應(yīng)用于低層住宅結(jié)構(gòu)、中等跨度門式剛架和建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中[1,2]。目前,許多學(xué)者對(duì)冷彎薄壁型鋼的研究主要集中在C形截面[3-5],對(duì)Z形截面的研究還比較少。隨著鋼材強(qiáng)度不斷提高,冷彎薄壁型鋼板件變得越來越薄,為了防止板件在受力時(shí)發(fā)生局部屈曲,可通過在冷彎薄壁型鋼構(gòu)件腹板和翼緣中間設(shè)置V形加勁肋來提高構(gòu)件的局部穩(wěn)定性。此外,卷邊是冷彎薄壁型鋼Z形截面的重要組成部分,不同卷邊形式下構(gòu)件的承載力也不盡相同,因此,對(duì)不同卷邊形式冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構(gòu)件的研究也十分有必要。為了研究卷邊形式對(duì)加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構(gòu)件抗彎承載力的影響,本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)不同卷邊形式加勁冷彎薄壁Z形截面受彎構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析,為加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構(gòu)件在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。
1.1 單元選取
利用有限元程序ANSYS12.0中的Shell181殼單元對(duì)加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構(gòu)件進(jìn)行模擬。模擬中支座為簡(jiǎn)支支座,一端為固定鉸支座,約束X,Y,Z三個(gè)方向的位移;另一端為可動(dòng)鉸支座,約束X和Y兩個(gè)方向的位移,其中X,Y,Z分別為構(gòu)件的平面外方向、豎直方向和構(gòu)件的長度方向。材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用雙折線模型,強(qiáng)化段斜率為2%E。
1.2 幾何屬性和材料屬性
構(gòu)件選用Q345級(jí)冷彎薄壁型鋼,屈服強(qiáng)度fy=345 MPa,彈性模量E=2.06×105N/mm2,泊松比v=0.3。構(gòu)件截面形式及幾何參數(shù)定義如圖1所示,試驗(yàn)采用的板件名義厚度t=2.5 mm,所有構(gòu)件的腹板高度H=160 mm,翼緣寬度B=80 mm,構(gòu)件選取直卷邊和斜卷邊兩種卷邊形式,每種卷邊形式對(duì)應(yīng)10 mm和30 mm兩種卷邊寬度。斜卷邊構(gòu)件的卷邊與翼緣成45°夾角。翼緣和腹板中間V形加勁肋的夾角均為90°,加勁肋的名義寬度Sc=20 mm,名義高度為Sf=10 mm。
1.3 加載方式
純彎試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載,如圖2a)所示,取中間長度為900 mm的純彎區(qū)段作為試驗(yàn)的研究區(qū)段,并且采用螺栓將兩側(cè)非純彎段的上翼緣與蓋板相連,避免了兩側(cè)非純彎段對(duì)研究區(qū)段的影響。非純彎試驗(yàn)采用跨中集中加載,如圖2b)所示,取支座與跨中之間900 mm的非純彎區(qū)段作為試驗(yàn)的研究區(qū)段。同樣,通過螺栓將另一側(cè)非純彎段的上翼緣與蓋板相連。
2.1 有限元分析過程
有限元分析分為兩個(gè)階段:第一階段是為了提取在彈性條件下構(gòu)件可能發(fā)生的屈曲模態(tài)而進(jìn)行的特征值屈曲分析;第二階段是在第一階段的基礎(chǔ)上施加初始缺陷,同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性而進(jìn)行的非線性分析。通過非線性分析得到了構(gòu)件的破壞模式和抗彎承載力。根據(jù)文獻(xiàn)[6],取局部初始缺陷0.1t,畸變初始缺陷為1.0t(t為板件厚度)。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究,殘余應(yīng)力和材料屈服強(qiáng)度提高對(duì)破壞模式和抗彎承載力影響不大,非線性分析時(shí)可不考慮。
2.2 有限元分析結(jié)果
2.2.1 破壞模式
純彎狀態(tài)下構(gòu)件的破壞模式如圖3所示。從圖3中可見,4種截面形式構(gòu)件的屈曲模式均為畸變屈曲,構(gòu)件的破壞主要發(fā)生在研究區(qū)段的受壓翼緣上,兩個(gè)背靠背連接構(gòu)件的破壞模式基本一致,且兩構(gòu)件的變形呈反對(duì)稱狀態(tài)。
非純彎狀態(tài)下構(gòu)件的破壞模式如圖4所示。從圖4中可見,4種截面形式構(gòu)件均發(fā)生了畸變屈曲,構(gòu)件的破壞主要發(fā)生在加載點(diǎn)附近;長卷邊構(gòu)件的變形幅度比短卷邊構(gòu)件的變形幅度小,這是由于長卷邊對(duì)構(gòu)件翼緣的約束作用比短卷邊大。
2.2.2 抗彎承載力
兩種受彎狀態(tài)下構(gòu)件抗彎承載力和破壞模式結(jié)果列于表1中。從表1中可以看出,構(gòu)件在非純彎狀態(tài)下的抗彎承載力高于純彎狀態(tài)下的。
表1 構(gòu)件抗彎承載力和破壞模式結(jié)果
當(dāng)構(gòu)件卷邊寬度發(fā)生變化時(shí),構(gòu)件的抗彎承載力也有很大的差異。純彎狀態(tài)下長直卷邊構(gòu)件的抗彎承載力比短直卷邊構(gòu)件的高出16.40%,長斜卷邊比短斜卷邊高出15.70%。非純彎狀態(tài)下這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分別為17.76%和12.19%。由此可見,隨著卷邊寬度的增加,直卷邊構(gòu)件抗彎承載力的提高幅度大于斜卷邊構(gòu)件的。
1)加勁冷彎薄壁Z型鋼受彎構(gòu)件在非純彎狀態(tài)下的抗彎承載力高于純彎狀態(tài)下的。2)在純彎與非純彎狀態(tài)下,長卷邊的抗彎承載力大于短卷邊的;隨著卷邊寬度的增加,直卷邊構(gòu)件抗彎承載力的提高幅度大于斜卷邊構(gòu)件的。3)短直卷邊構(gòu)件的抗彎承載力略低于短斜卷邊構(gòu)件的;長直卷邊構(gòu)件的抗彎承載力則高于長斜卷邊構(gòu)件的。
[1] 李清揚(yáng),王建超,劉遠(yuǎn)鵬,等.冷彎薄壁加勁C型鋼構(gòu)件畸變性能有限元分析[J].建筑科學(xué),2013(9):17-20.
[2] 鐘國輝.冷彎薄壁型鋼在房屋建筑中的研究與發(fā)展[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2002(4):31-38.
[3] 王海明,張耀春.冷彎型鋼C形截面受彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2009(4):87-91.
[4] 馮 巍,趙金友,王 鈞,等.帶加勁冷彎薄壁型鋼C形受彎構(gòu)件有限元分析[J].山西建筑,2014,40(24):37-39.
[5] 董俊巧,趙金友,李成亮,等.加勁冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件屈曲分析[J].低溫建筑技術(shù),2014(7):86-87,95.
[6] 趙金友,董俊巧,王 鈞,等.不同截面形式高強(qiáng)冷彎薄壁槽鋼構(gòu)件受彎承載力試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2015(5):18-26.
[7] N.Abdel-Rahman,K.S.Sivakumarran.Material properties models for analysis of cold-formed steel members[J].Journal of Structural Engineering,1997,123(9):1135-1143.
The finite element analysis on bending members with Z-shaped of stiffened cold-formed thin walled steel★
Wang Quanbang Zhao Jinyou Dong Junqiao
(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)
In order to study the form of bead stiffened cold-formed steel Z-shaped cross-section flexural capacity of the affected members bending, in pure bending and non-pure bending, for (short and long) straight bead and (short and long) crimping oblique stiffening cold-formed steel Z-shaped cross member of the finite element analysis. The results showed that, crimping form is a key factor for flexural capacity of members, flexural capacity of a non-member state of pure bending higher than under pure bending state.
cold formed thin walled steel, roll shape, stiffening rib, flexural bearing capacity
2015-06-07
★:黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):E2015056);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):DL11CB08)
王全邦(1991- ),男,在讀碩士; 趙金友(1977- ),男,副教授; 董俊巧(1989- ),女,在讀碩士
1009-6825(2015)23-0027-02
TU312
A