加勁鋼柱腹板受壓穩(wěn)定性分析

劉 敏

(湖北省華網(wǎng)電力工程有限公司，湖北 武漢 430074)

加勁鋼柱腹板受壓穩(wěn)定性分析

劉 敏

(湖北省華網(wǎng)電力工程有限公司，湖北 武漢 430074)

基于大型通用軟件ANSYS，分析了6種加勁肋參數(shù)下的鋼柱彈性屈曲特性，由分析結(jié)果得到了加勁肋的厚度越大，對(duì)腹板的約束越大，并有效的提升了鋼柱腹板的一階臨界屈曲應(yīng)力系數(shù)，120 mm寬的加勁肋由于自由伸出長(zhǎng)度過大，會(huì)發(fā)生過早的屈曲，而導(dǎo)致腹板屈曲失效。

加勁鋼柱，腹板屈曲，縱向加勁肋，臨界屈曲應(yīng)力系數(shù)

薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)在近期得到了很大的發(fā)展，被廣泛的運(yùn)用于民用與工業(yè)建筑中。然而薄壁鋼結(jié)構(gòu)呈腹板高、高厚比大的特點(diǎn)，板件的穩(wěn)定性問題尤為突出，需要進(jìn)行加勁肋的合理設(shè)置。加勁肋的設(shè)置對(duì)板件的穩(wěn)定性具有重大影響，不當(dāng)?shù)募觿爬咴O(shè)置可能誘發(fā)腹板的突然失穩(wěn)，特別是一字形加勁肋等開口截面加勁肋，腹板的局部更容易發(fā)生。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)加勁板件穩(wěn)定性開展了一系列研究。M.M.A.等基于有限元數(shù)值模擬方法，分析了簡(jiǎn)支板件在彎曲荷載下加勁肋的合理位置與板件臨界屈曲應(yīng)力之間的關(guān)系，表明不同荷載作用下加勁肋的合理位置不一致[1]。 R. Chácon等運(yùn)用有限元數(shù)值模擬研究了在局壓作用下加勁肋設(shè)置對(duì)鋼主梁腹板臨界屈曲應(yīng)力的影響，表明通過優(yōu)化縱向加勁肋的位置能夠得到最大的腹板臨界屈曲應(yīng)力[2]。L. P. 等研究縱向加勁肋剛度對(duì)腹板剪切穩(wěn)定的影響[3]，指出縱向加勁肋截面剛度對(duì)腹板剪切屈曲模式起決定性的作用。G.Y. G等通過有限元數(shù)值模擬，提出了三種板件屈曲模式[4]：1)板件整體屈曲；2)加勁肋屈曲；3)加勁肋與板件構(gòu)成的T形截面柱的歐拉屈曲。為了尋求合適的鋼柱加勁肋設(shè)置截面，本文基于大型通用軟件ANSYS，分析了6種加勁肋參數(shù)下的鋼柱彈性屈曲特性，得到了薄壁鋼柱加勁腹板的屈曲特性，并最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化了加勁肋的截面尺寸。

1 工程參數(shù)與有限元模型的建立

基于大型通用軟件ANSYS 建立了薄壁鋼柱有限元模型，該薄壁鋼柱的高度為4.9 m，薄壁腹板寬度為0.6 m，鋼柱的總長(zhǎng)×寬為0.84 m×0.84 m，有限元模型的參數(shù)見表1，有限元模型見圖1,圖2。

表1 有限元參數(shù)設(shè)置 mm

對(duì)有限元模型開展縱向加勁肋的參數(shù)分析，以優(yōu)化確定縱向加勁肋的截面取值。縱向加勁肋的取值參數(shù)見表2。

表2 縱向加勁肋參數(shù)選擇

2 有限元計(jì)算結(jié)果

有限元應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見圖3,圖4，在3 200 kN的壓力作用下，最大的應(yīng)力在56 MPa～77 MPa之間，應(yīng)力未達(dá)到構(gòu)件的屈服值。有限元屈曲特性分析計(jì)算結(jié)果見圖5，在3 200 kN的壓力作用下，構(gòu)件的臨界屈曲應(yīng)力系數(shù)在0.95～1.73之間。

3 結(jié)語

本文通過有限元數(shù)值模擬方法分析了薄壁加勁鋼柱的彈性屈曲特性，主要結(jié)論有：

1)隨著縱向加勁肋厚度的增加，薄壁加勁鋼柱腹板的臨界屈曲應(yīng)力系數(shù)增大。當(dāng)加勁肋的寬度為120 mm時(shí)，加勁肋厚度增加，鋼柱可以承受的荷載由3 040 kN上升到5 536 kN。當(dāng)加勁肋的寬度為80 mm時(shí)，加勁肋厚度增加，鋼柱可以承受的荷載由4 570 kN上升到5 056 kN。

2)隨著縱向加勁肋寬度的增加，薄壁加勁鋼柱腹板的臨界屈曲應(yīng)力系數(shù)范圍增大。當(dāng)加勁肋的寬度為120 mm時(shí)，鋼柱可以承受的荷載范圍為3 040 kN～5 536 kN。當(dāng)加勁肋的寬度為80 mm時(shí)，鋼柱可以承受的荷載范圍為4 570 kN～5 056 kN。這是由于當(dāng)縱向加勁肋寬度達(dá)到一定值時(shí)，其加勁肋自身更容易發(fā)生屈曲，反而導(dǎo)致了整體承載能力的下降。

3)從上述分析可以看出，本文應(yīng)選擇80 mm×5 mm寬度的加勁肋，雖然該加勁肋的尺寸小于120 mm×5 mm的加勁肋，但在加勁后鋼柱的性能優(yōu)于后者。

4)本文的研究成果對(duì)帶鋼結(jié)構(gòu)加勁肋板件屈曲分析與加勁肋設(shè)計(jì)具有一定的理論參考價(jià)值。

[1] M. M. Alinia. A study into optimization of stiffeners in plates subjected to shear loading[J]. Thin-walled structures, 2005,43(5):845-860.

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[4] G.Y. Grondin, A. J. (1999). Buckling of stiffened steel plates——a parametric study[J].Construct. Steel Res.2010,50(1)：151-175.

Buckling analysis of stiffened thin-walled column

Liu Min

(TheHubeiCorporationofChinaNetworkPower,Wuhan430074,China)

Based on the large common software ANSYS, this paper analyzes the characteristics of six kinds of elastic buckling of steel columns stiffener parameters by analyzing the results the following conclusions: stiffener thickness, the greater the constraints on the web, and effectively enhance the steel column web’s first critical buckling stress factor, 120 mm wide stiffeners due to the free extended length is too large, buckling occurs prematurely, resulting in buckling failure.

stiffened steel column, plate buckling, longitudinal stiffeners, critical buckling stress factor

2015-01-14

劉 敏(1984- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)09-0039-02

TU311

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