腹板開孔冷彎薄壁C形鋼非純彎構(gòu)件有限元分析

饒 敏 袁修文 張 成

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在實(shí)際工程中常常因電路、管線的安裝及結(jié)構(gòu)側(cè)向支撐的布置在冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的腹板上開設(shè)孔洞[1]。以往國內(nèi)外學(xué)者對腹板開孔冷彎薄壁C形鋼受彎構(gòu)件的屈曲性能研究較少且主要集中在純彎工況下的研究[2,3]，但在實(shí)際工程應(yīng)用中受彎構(gòu)件常處于非純彎受力狀態(tài)。因此，本文通過對不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的冷彎薄壁C形鋼非純彎構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，探究腹板開孔對此類非純彎構(gòu)件屈曲模式及抗彎承載力的影響規(guī)律。

1 構(gòu)件設(shè)計及有限元建模

1.1 構(gòu)件尺寸設(shè)計

未開孔構(gòu)件及開孔構(gòu)件的截面參數(shù)定義如圖1所示。構(gòu)件長度為2 520 mm，中間研究區(qū)段長度L=1 200 mm。選取板件厚度t=2.0 mm,2.5 mm和3.0 mm，腹板高度H=160 mm,180 mm,200 mm和220 mm，所有構(gòu)件翼緣寬度B均為80 mm，直卷邊長度d=40 mm。開孔構(gòu)件均在研究區(qū)段中點(diǎn)腹板上開設(shè)一個孔洞，如圖2所示?？锥锤叨華通過孔高比(A/H)來確定，本文選取孔高比A/H=0.2,0.4,0.6和0.8?？锥吹拈L度按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開孔尺寸取Lh=101.6 mm[2]。板件間彎曲內(nèi)徑r=t。構(gòu)件編號規(guī)則見圖3。

1.2 有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181殼單元對構(gòu)件、蓋板及連接件進(jìn)行建模。兩個相同構(gòu)件通過荷載連接件和支座連接件背靠背連接，在構(gòu)件非研究區(qū)段的翼緣上布設(shè)蓋板以減少非研究區(qū)段對研究區(qū)段的影響。通過耦合連接模擬蓋板與構(gòu)件之間以及構(gòu)件與連接件之間的螺栓連接。分析時在支座連接件的腹板底面節(jié)點(diǎn)上施加約束，一端約束兩個方向上的位移以模擬轉(zhuǎn)動鉸支座，另一端約束三個方向的位移以模擬固定鉸支座。集中荷載施加于荷載連接件的腹板頂面節(jié)點(diǎn)上。鋼板的材料屬性：屈服強(qiáng)度fy=345 MPa；彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比v=0.3。有限元模型如圖4所示。

2 有限元分析

有限元分析分兩個階段進(jìn)行：第一階段，特征值屈曲分析以獲得構(gòu)件可能發(fā)生的第一階屈曲模態(tài)；第二階段，非線性分析，在第一階段分析結(jié)果基礎(chǔ)上對構(gòu)件施加初始幾何缺陷進(jìn)行非線性分析，得出構(gòu)件的屈曲模式和抗彎承載力。初始幾何缺陷取值依據(jù)文獻(xiàn)[4]中實(shí)測結(jié)果確定。構(gòu)件殘余應(yīng)力及因彎曲造成的材料屈服強(qiáng)度提高對構(gòu)件承載力具有相反作用，二者被近似視為相互抵消，故分析時不作考慮。

3 有限元計算結(jié)果分析

不同孔高比的構(gòu)件均發(fā)生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關(guān)屈曲破壞。由于非純彎構(gòu)件的研究區(qū)段受梯度彎矩作用，因此，局部屈曲易發(fā)生在彎矩最大的加載點(diǎn)附近的受壓翼緣上(如圖5a)～圖5c)所示)，以板厚t=3.0 mm的構(gòu)件為例)。當(dāng)孔高比增大到0.8時，開孔處截面削弱過于嚴(yán)重，板件折減厚度過小，即寬厚比變得很大，明顯的局部屈曲發(fā)生在孔洞上方的受壓翼緣上(如圖5d)所示)，以板厚t=3.0 mm的構(gòu)件為例)。

如圖6所示為構(gòu)件抗彎承載力隨孔高比的變化規(guī)律(以板厚t=3.0 mm的構(gòu)件為例)。當(dāng)孔高比由0增大至0.6時，大部分開孔構(gòu)件抗彎承載力相比于未開孔構(gòu)件變化不明顯；當(dāng)孔高比進(jìn)一步增大至0.8時，構(gòu)件抗彎承載力會出現(xiàn)大幅陡降的現(xiàn)象。構(gòu)件抗彎承載力的變化規(guī)律與屈曲模式密切相關(guān)，當(dāng)孔高比不大于0.6時，開孔構(gòu)件發(fā)生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關(guān)屈曲，且局部屈曲變形主要發(fā)生在加載點(diǎn)附件的受壓翼緣上，與未開孔構(gòu)件屈曲變形一致，又因局部屈曲受梯度彎矩影響小[5]，所以抗彎承載力—孔高比曲線基本保持水平；當(dāng)孔高比增大至0.8時，構(gòu)件同樣發(fā)生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關(guān)屈曲，但局部屈曲變形主要發(fā)生在孔洞上方的受壓翼緣上，說明孔洞對腹板剛度的削弱已非常嚴(yán)重，孔洞周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象使構(gòu)件抗彎承載力大幅陡降。

4 結(jié)語

通過對不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的腹板開孔冷彎薄壁C形鋼非純彎構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，得出以下結(jié)論：

1)不同孔高比的構(gòu)件均發(fā)生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關(guān)屈曲破壞。2)當(dāng)孔高比不大于0.6時，與未開孔構(gòu)件相比，開孔構(gòu)件抗彎承載力變化不大；當(dāng)孔高比進(jìn)一步增大至0.8時，構(gòu)件抗彎承載力大幅陡降。