圓孔蜂窩梁?jiǎn)屋S對(duì)稱性能研究

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1、圓孔蜂窩梁?jiǎn)屋S對(duì)稱性能研究周雪楓，李桐，高尚（1．西安建筑科技大學(xué)土木t程學(xué)院，陜西西安710055；2．青島理工大學(xué)土木學(xué)院，山東青島266000）[摘要]為了探究單軸對(duì)稱截面對(duì)圓孔蜂窩梁力學(xué)性能的影響，采用有限元分析法建立了125個(gè)模型研究截面類型對(duì)蜂窩梁的力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，加強(qiáng)受壓翼緣的蜂窩梁穩(wěn)定承載力有較大提高，其強(qiáng)度雖然沒有較大幅度的改善，但是內(nèi)力分布卻更加合理。單軸對(duì)稱蜂窩梁使內(nèi)力重分布，其力學(xué)性能良好。建議在工程中應(yīng)用單軸對(duì)稱蜂窩梁。[.jyqkail:[email protected][收稿日期]2015-05-110引言蜂窩梁是一種承載力較高，較為經(jīng)濟(jì)且

2、美觀的構(gòu)件，目前已經(jīng)應(yīng)用于大量工程，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在過去的幾十年里，各國(guó)學(xué)者對(duì)蜂窩梁的研究，主要集中在強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性這三個(gè)方面，而對(duì)蜂窩梁的單軸對(duì)稱性缺乏相應(yīng)的研究。加強(qiáng)上翼緣的鋼梁可以充分利用鋼材的強(qiáng)度，避免造成鋼材的浪費(fèi)，在廠房結(jié)構(gòu)中還有利于管線的合理布設(shè)，故有必要對(duì)加強(qiáng)上翼緣蜂窩梁的力學(xué)性能做一些深入的研究。本文對(duì)不同截面類型的蜂窩梁進(jìn)行系統(tǒng)研究，選取了4種截面類型進(jìn)行性能評(píng)估，采用有限元軟件ABAQUS分析了上翼緣加強(qiáng)蜂窩梁的單軸對(duì)稱截面類型、跨度、開孔率和孔間距對(duì)蜂窩梁力學(xué)性能的影響。最終選出力學(xué)性能最優(yōu)的截面。1有限元模型驗(yàn)證1.1材料本構(gòu)關(guān)系建立有限元模型時(shí)

3、，材料采用Q235鋼材，彈性模量為2.06×l05N／mm2，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為235N/mm2。彈性剪切模量為G=7.923×104N/mm2。1.2單元類型和網(wǎng)格劃分采用殼單元模擬蜂窩鋼梁的翼緣和腹板，這種單元適合復(fù)雜的屈曲行為。單元網(wǎng)格劃分如圖1所示。1.3邊界條件用ABAQUS模擬該支座時(shí)，通過約束梁一端下翼緣的三個(gè)方向的位移，另一端下翼緣的側(cè)向位移及豎向位移，梁兩端上翼緣的側(cè)向位移以實(shí)現(xiàn)約束端面繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來達(dá)到簡(jiǎn)支效果。1.4有限元模型驗(yàn)證為驗(yàn)證ABAQUS的殼單元是否可以精確模擬梁的穩(wěn)定性能，驗(yàn)證本文邊界條件正確性，對(duì)工字形實(shí)腹梁的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了對(duì)比分析。工字型進(jìn)行對(duì)比

4、分析。算例截面高h(yuǎn)=600mm，上翼緣寬度b1=200mm，下翼緣寬度b2=150mm，腹板t1=9mm，翼緣厚t2=14mm，材料屈服強(qiáng)度為fy=235N/mm2，不同模型的計(jì)算長(zhǎng)度如表1所示，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，本文建立的有限元模型計(jì)算結(jié)果和規(guī)范計(jì)算的結(jié)果擬合度較高，誤差在5%以內(nèi)，證明了模型的有效性和正確性。2翼緣加強(qiáng)方式對(duì)蜂窩梁力學(xué)性能的影響2.1翼緣加強(qiáng)方式為了系統(tǒng)研究加強(qiáng)方式對(duì)蜂窩梁力學(xué)性能的影響，本文定義加強(qiáng)上翼緣的截面為1A截面，定義加強(qiáng)下翼緣的截面為1B截面，具體截面的參數(shù)如圖3所示。2.2構(gòu)件參數(shù)選取和設(shè)計(jì)為了研究圓孔單軸對(duì)稱蜂窩梁1A截面和1B截面的力學(xué)性能，

5、選取跨度、開孔率和孔間距等變化參數(shù)（見表2）建立有限元模型。2.3強(qiáng)度性能研究有限元分析結(jié)果如圖4～6所示，從圖中可以看出：1A截面和1B截面強(qiáng)度承載力結(jié)果差別很小，1A截面的承載力稍大于1B截面，1A截面蜂窩梁的受拉翼緣先出現(xiàn)屈服而且屈服面積較大，而1B截面的蜂窩梁受壓翼緣先屈服并且很快在截面上形成屈服面。綜上得1A截面力學(xué)性能較1B好。2.4穩(wěn)定性能研究選取跨度為9m，梁高600mm，腹板厚度9mm，翼緣厚度14mm，上翼緣寬200mm，下翼緣寬150mm，開孔率為0.6，跨度分別為6，9，12，15，18m的一組蜂窩梁，將得到的穩(wěn)定承載力與上翼緣150mm、下翼緣200m，其他參數(shù)均相同

6、的蜂窩梁的穩(wěn)定承載力做對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。加強(qiáng)上翼緣的蜂窩梁，實(shí)際上加強(qiáng)了受壓翼緣，對(duì)穩(wěn)定承載力有較大影響。在跨度小于12m時(shí)1A截面的穩(wěn)定承載力提高了60%以上，跨度大于12m時(shí)其穩(wěn)定承載力也提高較大，1A截面經(jīng)濟(jì)價(jià)值明顯，適合用于實(shí)際工程中。3單、雙軸對(duì)稱截面性能研究3.1截面設(shè)計(jì)和詳圖設(shè)計(jì)3種不同截面類型的工字形截面，研究單、雙軸對(duì)稱截面對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。構(gòu)件截面尺寸如表3所示。3種截面構(gòu)件的跨度均為9m，截面高度600mm，翼緣厚度14mm，腹板厚度9mm，開孔率以及孔間距的數(shù)據(jù)與表2相同。對(duì)3種截面類型的蜂窩梁的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)截面類型做出經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。3.2單、雙軸

7、對(duì)稱截面對(duì)強(qiáng)度的影響單、雙軸對(duì)稱截面對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的影響如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，2B截面類型的蜂窩梁強(qiáng)度承載力最大，2A和2C截面的強(qiáng)度承載力較小，2C截面的強(qiáng)度承載力高于2A。3種截面的應(yīng)力云圖如圖9~11所示。2A截面受拉翼緣屈服的較多，但受壓翼緣屈服較少，其截面并沒有屈服，而2B和2C截面幾乎上下翼緣同時(shí)屈服，形成整個(gè)截面的屈服。3.3單、雙軸對(duì)稱截面對(duì)穩(wěn)定性的影響單、雙軸對(duì)稱截面對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定