新型截面冷彎薄壁型鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性能探究

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1、新型截面冷彎薄壁型鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性能探究　　提要：為了研究板件中間加勁復(fù)雜卷邊槽鋼這類復(fù)雜截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性能，本文分別對(duì)普通卷邊槽鋼、復(fù)雜卷邊槽鋼、Σ形復(fù)雜卷邊槽鋼、腹板中間V型加勁復(fù)雜卷邊槽鋼等四種截面形式、兩種厚度、三種長(zhǎng)度共計(jì)24根軸壓簡(jiǎn)支柱進(jìn)行了非線性有限元分析。研究了此類復(fù)雜截面軸壓構(gòu)件的極限承載力、失穩(wěn)模式及變形等特性。有限元分析結(jié)果表明，板件中間加勁肋的存在對(duì)軸壓構(gòu)件的極限承載力和失穩(wěn)模式影響顯著。Σ形截面及板件中間V型加勁截面有效地減小了板件寬厚比，大幅度提高了軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。關(guān)鍵詞：板件中間加勁；復(fù)

2、雜卷邊槽鋼；畸變屈曲；極限承載力；有限元分析中圖分類號(hào)：TU74文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1.引言5隨著冷彎型鋼生產(chǎn)狀況的逐步改善和設(shè)備生產(chǎn)能力的日益提高，產(chǎn)生了許多新的截面形式[1]，材料也向著超薄、高強(qiáng)的方向發(fā)展，使得冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)變得更加高效、輕質(zhì)。其中，通過(guò)改變截面形式能夠有效地提高鋼材的利用率，在鋼材面積基本不變的情況下，使構(gòu)件的承載力得到了很大的提高。然而，獨(dú)特的幾何外形可能導(dǎo)致畸變屈曲模式在此類構(gòu)件的破壞過(guò)程中起主導(dǎo)作用[2]。各國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中普遍采用的“有效截面法”沒(méi)有考慮畸變屈曲對(duì)構(gòu)件承載力的影響。當(dāng)前，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的冷彎

3、型鋼承載力設(shè)計(jì)新方法“直接強(qiáng)度法”(DirectStrengthMethod簡(jiǎn)稱DSM)有效地解決了這一問(wèn)題[3,4]。本文設(shè)計(jì)了四種截面形式，兩種厚度，三種長(zhǎng)度共計(jì)24根試件，采用ANSYS對(duì)其進(jìn)行了有限元模擬分析。為后續(xù)工作提供了參考。2.參數(shù)選取與構(gòu)件編號(hào)說(shuō)明本文選取了700mm、1250mm和1800mm三種構(gòu)件長(zhǎng)度(短試件長(zhǎng)度的確定參照了美國(guó)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究委員會(huì)(SSRC)的建議[5])；兩種板件厚度(t為1mm、2mm)。所有截面的腹板外廓尺寸H均取為228.28mm，翼緣外廓尺寸為B=90mm，一次卷邊外廓尺寸為d=25m

4、m，二次卷邊外廓尺寸為a=15mm，加勁肋外廓尺寸為s=20mm，其余各板件寬度見(jiàn)圖1，取板件交線處的彎曲內(nèi)徑r＝t，鋼材屈服強(qiáng)度（fy)均取為390MPa，彈性模量(E)取為2.06×105MPa，泊松比(υ)取為0.3。4.結(jié)果分析1)屈曲模式分析5通過(guò)表1可以看出來(lái)，普通卷邊截面和復(fù)雜卷邊截面的失穩(wěn)模式是局部屈曲，而隨著板件中間加勁肋的設(shè)置，使板件的寬厚比減小，提高了局部屈曲臨界力，畸變屈曲將起主要控制作用。Σ形復(fù)雜卷邊截面的失穩(wěn)模式主要是畸變屈曲，腹件中間V型加勁復(fù)雜卷邊截面的失穩(wěn)模式是局部屈曲和畸變屈曲。2)極限承載力分析由

5、以上結(jié)果可以看出，同一截面的構(gòu)件，隨著長(zhǎng)度的增加，承載力逐漸降低，且不同厚度的構(gòu)件承載力下降趨勢(shì)大致相同。為方便比較不同截面形式構(gòu)件的承載能力，本文將構(gòu)件的承載能力與構(gòu)件截面面積的比值定義為承載效率。由于不同長(zhǎng)度的承載力不同，故取三種長(zhǎng)度構(gòu)件承載力的平均值來(lái)作比較。當(dāng)厚度t=1時(shí)，普通卷邊截面比復(fù)雜卷邊截面的承載效率降低了0.6%；Σ形截面比復(fù)雜卷邊截面的承載效率提高了94.2%；腹件中間V型加勁復(fù)雜卷邊截面比復(fù)雜卷邊截面承載效率提高了37.2%。當(dāng)厚度t=2時(shí)，普通卷邊截面比復(fù)雜卷邊截面承載效率降低了1.3%；Σ形截面比復(fù)雜卷邊截面

6、截面承載效率提高了74.7%；腹件中間V型加勁復(fù)雜卷邊截面比復(fù)雜卷邊截面承載效率提高了44.1%。在這里將兩種厚度取平均值，Σ形截面比復(fù)雜卷邊截面截面承載效率提高了84.5%；腹件中間V型加勁復(fù)雜卷邊截面比復(fù)5雜卷邊截面截面承載效率提高了40.7%。由此可見(jiàn)，板件中間加勁類的設(shè)置雖然增加了少量用鋼量，但能明顯提高構(gòu)件的承載力和鋼材的利用率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。表1構(gòu)件有限元分析結(jié)果注：破壞模式中L表示局部屈曲，D表示畸變屈曲，F(xiàn)表示整體屈曲。5.結(jié)論本文對(duì)24個(gè)高強(qiáng)冷彎薄壁復(fù)雜卷邊槽鋼軸壓簡(jiǎn)支構(gòu)件進(jìn)行了非線性有限元分析，研究了構(gòu)件截面形式、

7、長(zhǎng)度、厚度對(duì)此類構(gòu)件穩(wěn)定性能的影響，得到以下結(jié)論：1）普通卷邊截面和復(fù)雜卷邊截面的失穩(wěn)模式為局部屈曲，而隨著板件中間加勁肋的設(shè)置，Σ形截面和腹件中間V型加勁復(fù)雜卷邊截面的構(gòu)件較易發(fā)生畸變屈曲。在對(duì)這類構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，畸變屈曲將起主要控制作用。2）Σ形截面和板件中間V型加勁肋能有效地減小板件寬厚比，明顯提高構(gòu)件的承載力和鋼材的利用率。有限元分析結(jié)果表明，與相同長(zhǎng)度、相同厚度的復(fù)雜卷邊槽鋼相比，采用Σ形截面的軸壓構(gòu)件承載力將提高84.5%，采用板件中間V型加勁的軸壓構(gòu)件承載力將提高40.7%。參考文獻(xiàn)[1]S.Narayanan，M.Mah

8、endran.Ultimatecapacityofinnovativecold-formedsteelcolumns.JournalofConstructionalSteelResearch.2003,(59):489-