腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁屈曲性能研究★

劉寶琦 趙金友 陳天威 楊守一 張佳樂 祝怡晴

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

0 引言

腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁已廣泛應(yīng)用于實際工程，如北京國際機場候機大廳和廣州國際會議會展中心［1］。腹板開孔方便電路管線和管道設(shè)施等建筑用線從構(gòu)件中穿過，并減輕結(jié)構(gòu)的自重，但開孔改變了構(gòu)件的應(yīng)力分布和屈曲模式等［2］。

國內(nèi)外學(xué)者已對腹板開設(shè)不同形狀孔洞的腹板開孔冷彎薄壁型槽鋼梁的屈曲性能進行了研究，國外學(xué)者Moen［3］、國內(nèi)學(xué)者王春剛［4］和趙金友［5］等對腹板開矩形孔冷彎薄壁型鋼梁的屈曲性能進行了研究;國內(nèi)學(xué)者王莉萍［6］對腹板開圓孔冷彎薄壁組合截面梁屈曲性能進行了研究。目前尚未見腹板分別開設(shè)不同形狀孔洞的冷彎薄壁槽鋼梁屈曲性能的研究。本文通過對不同開孔個數(shù)和不同形狀孔洞的腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁進行了線性和非線性的有限元分析，探究不同形狀孔洞對腹板開孔冷彎薄壁梁屈曲性能的影響。

1 有限元模型

1.1 驗證有限元模型

利用有限元分析前，對文獻［5］中已有試驗的短卷邊腹板開矩形孔冷彎薄壁槽鋼梁進行了模擬，模擬結(jié)果和試驗結(jié)果對比見表1，由表1可知，有限元模擬與試驗的屈曲模式基本一致，有限元模擬與試驗的極限抗彎承載力誤差僅為3.1%。表明了采用有限元軟件ANSYS分析此類構(gòu)件的可行性。

表1 短卷邊構(gòu)件有限元分析與試驗結(jié)果對比

1.2 選取構(gòu)件截面參數(shù)

構(gòu)件分析模型及彎矩示意圖如圖1所示，構(gòu)件長度L=3 720 mm，中間研究區(qū)段l=1 200 mm，構(gòu)件截面尺寸示意圖如圖2所示，具體為:腹板高度H=200 mm，孔洞高度A=0.5H(即孔洞高度分別為100 mm)，為使不同形狀孔洞具有相同的面積率和應(yīng)力應(yīng)變，運用等效面積法使圓孔轉(zhuǎn)換成等高的矩形孔洞，即矩形孔寬度為78.5 mm。板厚t=2.0 mm，孔洞數(shù)目N分別為1個、2個和3個，卷邊長度a=20 mm。

圖1 構(gòu)件分析模型及彎矩示意圖

圖2 構(gòu)件截面尺寸圖

2 有限元計算結(jié)果分析

有限元分析分為兩個過程，分別是特征值屈曲分析和非線性分析;特征值屈曲分析是完全理想無缺陷的構(gòu)件在彈性狀態(tài)下可能出現(xiàn)的屈曲模式;非線性分析是在特征值屈曲分析的基礎(chǔ)上施加初始缺陷的構(gòu)件在幾何和材料雙重非線性下的分析。

2.1 特征值屈曲分析結(jié)果

當(dāng)孔洞數(shù)目分別為1個、2個和3個時，開圓孔構(gòu)件的特征值屈曲模式圖均呈現(xiàn)的是反對稱的純畸變屈曲，如圖3a)所示;開矩形孔構(gòu)件的特征值屈曲模式圖也均呈現(xiàn)的是反對稱的純畸變屈曲，如圖3b)所示。

圖3 特征值屈曲模式圖

2.2 非線性屈曲性能分析

2.2.1 屈曲模式

當(dāng)孔洞個數(shù)分別為1個、2個和3個時，開圓孔構(gòu)件的破壞模式均呈現(xiàn)的是以畸變?yōu)橹鞯幕兒途植康南嚓P(guān)屈曲，如圖4a)所示;開矩形孔構(gòu)件的破壞模式也均呈現(xiàn)的以畸變?yōu)橹鞯幕兒途植康南嚓P(guān)破壞模式，如圖4b)所示。

2.2.2 極限抗彎承載力

圖5是腹板分別開設(shè)等面積等高度的開圓孔和開矩形孔的冷彎薄壁槽鋼梁在非線性條件下的極限抗彎承載力隨著孔洞個數(shù)變化的情況。

從圖5可以看出，與未開孔構(gòu)件相比，開圓孔構(gòu)件和開矩形孔構(gòu)件的極限抗彎承載力均呈現(xiàn)下降的趨勢;開圓孔構(gòu)件和開矩形孔構(gòu)件的極限抗彎承載力隨著孔洞數(shù)目的變化均有較小的影響。當(dāng)孔洞數(shù)目為1個時，開矩形構(gòu)件的極限抗彎承載力高于開圓孔構(gòu)件;當(dāng)開孔數(shù)目為2個和3個時，開圓孔構(gòu)件的極限抗彎承載力高于開矩形構(gòu)件，且兩種構(gòu)件在不同孔洞個數(shù)情況的具體極限抗彎承載力如表2所示。

圖5 開孔構(gòu)件極限抗彎承載力隨開孔個數(shù)變化圖

表2 不同孔構(gòu)件的極限抗彎承載力隨孔高比的變化情況

3 結(jié)語

通過對不同開孔個數(shù)和開設(shè)不同形狀孔洞的冷彎薄壁槽鋼梁進行純彎狀態(tài)下有限元分析，得出結(jié)論:當(dāng)冷彎薄壁槽鋼梁分別開設(shè)等面積等高度圓孔和矩形孔時，開設(shè)不同形狀孔洞對構(gòu)件的屈曲模式有較小的影響。