Q690焊接箱形高強(qiáng)鋼柱穩(wěn)定性能數(shù)值模擬

(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

一、研究背景

隨著鋼材生產(chǎn)工藝發(fā)展,鋼材的強(qiáng)度得到大幅提高。然而國(guó)內(nèi)外對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論[1]還不完善，針對(duì)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究很少，不足以提出有關(guān)高強(qiáng)鋼構(gòu)件極限承載力的計(jì)算公式。因此，現(xiàn)有的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法能否適用于高強(qiáng)鋼，還需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)和數(shù)值研究，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。本文就Q690鋼材箱型軸壓構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性能數(shù)值研究。為進(jìn)一步試驗(yàn)研究及理論設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

二、有限元分析

(一)模型簡(jiǎn)述

本文采用ABAQUS軟件建模數(shù)值分析，分別就殘余應(yīng)力、初始彎曲對(duì)Q690鋼材構(gòu)件屈曲的極限荷載的影響，建立考慮殘余應(yīng)力和初始彎曲、只考慮初始彎曲、只考慮殘余應(yīng)力以及不考慮殘余應(yīng)力和初始彎曲等4個(gè)模型對(duì)比分析，試件均為300×300×6方鋼管柱，柱長(zhǎng)為3米。

(二)建模方法

本文模型單元采用常規(guī)殼單元(圖1)。厚度均取6mm。賦予截面屬性時(shí)設(shè)置沿外圍偏移。本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，彈性模量取210Gpa，泊松比取0.3。塑性特性取文獻(xiàn)[2]塑性模型先文獻(xiàn)試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)屈服強(qiáng)度設(shè)為705MP，應(yīng)變0,塑性變形后應(yīng)力750MP形變?yōu)?.076。網(wǎng)格采用S4R四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元分析，單元形狀取四邊形結(jié)構(gòu)，并采用沙漏控制。采用種子尺寸為15。對(duì)于邊界定義，通過耦合面于點(diǎn)的方法來避免截面應(yīng)力集中(圖2)，即在截面兩端中心位置設(shè)置兩個(gè)參考點(diǎn)RP-1和RP-2，并將上下截面的所有自由度耦合至對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)，此時(shí)截面等效為剛性。上下兩端約束均加在參考點(diǎn)上(圖3)，上端RP-1點(diǎn)設(shè)置為U1=U2=UR3=0，下端RP-2點(diǎn)設(shè)置為U1=U2=U3=UR3=0。加載時(shí)采用逐步施加荷載的方式，在RP-1點(diǎn)施加沿Z軸負(fù)方向的位移荷載。

圖1 殼體單元 圖2 邊界耦合 圖3 邊界設(shè)置 圖4 殘余應(yīng)力模擬

(三)殘余應(yīng)力及初始缺陷設(shè)置

本文分三步施加荷載分析,第一步均在復(fù)制的模型中進(jìn)行，根據(jù)規(guī)范EU3中,進(jìn)行特征值屈曲(Buckle)分析,求解得到柱子的屈曲模態(tài)作為初始缺陷參考，分析前，在edit keywords末尾輸入“*Output,field,variable=PRESELECT*NODE FILE,GLOBAL=YESU,”得到包含模型初始缺陷信息的fil文件，其次根據(jù)文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)研究，采用溫度場(chǎng)施加荷載模擬焊接后應(yīng)力作為殘余應(yīng)力參考(圖4)，分析后，在可視化中點(diǎn)擊報(bào)告，將該應(yīng)力偏量S11，S22,S33,S12按照相應(yīng)的編碼以dat文件保存。第二步，將柱截面初始缺陷或殘余應(yīng)力作為初始狀態(tài)輸入模型。具體操作：輸入初始應(yīng)力時(shí)，在目標(biāo)模型edit keywords中，以 initial conditions,type=stress,input=文件名.dat輸入至模型。輸入初始缺陷時(shí)，在目標(biāo)模型edit keywords中輸入“imperfection,file=buckling,step=1,1,3”至模型。第三步施加軸壓荷載,分析步采用極限破壞分析(Static risk),采用弧長(zhǎng)法并考慮幾何非線性進(jìn)行求解。同時(shí),施加荷載的數(shù)值應(yīng)通過幾次試算,使得最終計(jì)算得到的收斂最大弧長(zhǎng)接近1,以保證結(jié)果具有較高的精度。

(四)結(jié)果分析

采用上述的建模方法，同時(shí)考慮殘余應(yīng)力與初始彎曲，模擬與文獻(xiàn)[2]試驗(yàn)試件，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行校核，模擬較好。

當(dāng)同時(shí)考慮殘余應(yīng)力以和初始彎曲時(shí)，根據(jù)圖5a可知，構(gòu)件此時(shí)發(fā)生了局部屈曲，由于板的寬厚比小，截面面積較大，加上初始彎曲以及殘余應(yīng)力的共同作用，易發(fā)生局部失穩(wěn)，在弧長(zhǎng)位移3.59mm時(shí)，屈曲極限荷載為325.9kN，并將分析的結(jié)果與文獻(xiàn)[3]理論計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比,后者得出的局部屈曲臨界荷載為243.36kN,兩者相差25.3%。由此可見按照普通鋼材考慮板件約束以及寬厚比的影響得出的局部穩(wěn)定臨界荷載值過于保守，不適用于高強(qiáng)鋼;當(dāng)只考慮初始彎曲時(shí)，如圖5b所示，由于不考慮殘余應(yīng)力的影響，局部失穩(wěn)后可繼續(xù)承受額外的荷載，但由于中間彎曲大于構(gòu)件長(zhǎng)度的千分之一，主要影響構(gòu)件危險(xiǎn)部位的分布，造成局部失穩(wěn)在中間點(diǎn)先于其他點(diǎn)破壞。中間處應(yīng)力超過690Mpa，隨后發(fā)生整體失穩(wěn)現(xiàn)象。在弧長(zhǎng)位移在13.2mm時(shí)，整體失穩(wěn)臨界荷載為890.92kN；當(dāng)只考慮殘余應(yīng)力時(shí)，如圖5c所示，由于未考慮初始彎曲，模態(tài)各點(diǎn)初始缺陷小，造成整體先于局部失穩(wěn)。在弧長(zhǎng)位移等于4.61mm時(shí)，作用力達(dá)到486.251kN，為整體失穩(wěn)臨界承載力；當(dāng)殘余應(yīng)力和初始彎曲均不考慮時(shí)，如圖5d所示，此時(shí)構(gòu)件也發(fā)生整體失穩(wěn)。在弧長(zhǎng)等于13.13mm時(shí)，作用力達(dá)到1242.13kN，為整體失穩(wěn)臨界承載力。

a 考慮殘余應(yīng)力和初始彎曲 b 只考慮初始彎曲c 只考慮殘余應(yīng)力 d 不考慮殘余應(yīng)力和初始彎曲

三、結(jié)論

(1)殘余應(yīng)力和初始彎曲對(duì)高強(qiáng)度箱型柱穩(wěn)定性能影響均有較大影響，且前者影響更大。因此加工該類鋼柱時(shí)，需采用合理處理方式削弱兩者的影響。

(2)建立的有限元模型考慮了幾何初始缺陷及截面殘余應(yīng)力，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)國(guó)產(chǎn)Q690高強(qiáng)鋼焊接箱形截面軸壓柱的整體穩(wěn)定承載力。

(3)有限元模型分析得到的整體穩(wěn)定系數(shù)明顯高于我國(guó)規(guī)范相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線，表明Q690高強(qiáng)度鋼材焊接截面柱的整體穩(wěn)定系數(shù)較普通鋼材鋼柱有明顯提高。規(guī)范公式過于保守，需要更多相應(yīng)的研究提供一個(gè)針對(duì)高強(qiáng)鋼完善的公式。