冷彎型鋼梁受力特性有限元分析★

張俊杰 周鳳林 張秋媛

冷彎薄壁型鋼是一種輕型材料，由于具有卓越的結(jié)構(gòu)性能和延性而廣泛地運用于房屋建筑。它通過改變截面形狀用相對較少材料承受較大的外載，承載力高，整體剛度較大，可以節(jié)省材料，在建筑業(yè)中被廣泛地應用于次要承重構(gòu)件，如我們所熟悉的檁條、墻梁、墻柱、屋面板、墻面板及樓面組合板。近年來，鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)獲得超常規(guī)發(fā)展，應用更趨廣泛，影響快速擴大。國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)學科的發(fā)展得到了強有力的推動，并成為結(jié)構(gòu)工程最具活力的研究對象。冷彎型鋼結(jié)構(gòu)在許多實際工程中得到越來越廣泛的應用。

由于以往關(guān)于冷彎型鋼梁柱節(jié)點的研究主要集中在強度和剛度計算上，對該種節(jié)點抗震性能的研究較少。為此，為了準確的研究冷彎型鋼的力學性能以及各種截面的型鋼對其力學性能的影響，本文主要針對目前國內(nèi)使用最廣泛的C型鋼，Z型鋼進行了分析，采用有限元軟件用數(shù)值模擬方法對冷彎C型鋼梁、Z型鋼梁在外荷載作用下的綜合力學性能進行分析，研究不同截面形狀對構(gòu)件的剛度有較大影響，在相同荷載作用下不同形狀的梁受力特性分析。

1 模型說明

取長度為2.1 m的梁，截面考慮C型鋼，Z型鋼兩種截面，每種截面又分別考慮3種規(guī)格。為了保證截面的單位用鋼量相等，在選取截面的時候兩種截面選擇相同的截面面積。同時，每一種截面的型鋼選取三種同截面積不同的高寬比，用于研究同種截面型鋼的力學性能差異，具體見表1。

表1 兩種型鋼截面形狀參數(shù) mm

參照實驗時的三點荷載施加方法，施加如下邊界條件:在梁的上表面中部均勻加Y方向大小為12 000 N的力，均勻加在12個節(jié)點上，該荷載作用下梁進入塑性變形階段。左右兩端約束x，y，z三個方向的平動自由度，具體模型見圖1。

2 有限元模型計算及分析

采用有限元軟件用數(shù)值模擬方法對冷彎C型鋼梁、Z型鋼梁在外荷載作用下的綜合力學性能進行分析，本文選取了表1中所示的算例進行有限元計算分析，模擬兩種截面的型鋼在受力之后的力學性能表現(xiàn)，制作應力效果對比見圖2～圖4。模擬型鋼變形最大處(加力點)的位移和力的關(guān)系曲線見圖5，圖6。

3 結(jié)語

通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，相同截面面積的梁，在相同的外力情況下，Z型鋼受力特性比C型鋼受力點處位移有較大差別，Z型鋼產(chǎn)生的內(nèi)力比C型鋼產(chǎn)生內(nèi)力要小一些，且Z型鋼產(chǎn)生的位移變形比C型鋼產(chǎn)生位移變形要小一些。

同時研究發(fā)現(xiàn)兩種截面與受力點對應的下表面點變形均勻，截面高度越高，位移值越小。如果希望整個梁受力均勻，可以在梁的內(nèi)部添加支撐。

［1］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］PANTAZOPOULOU S J，PAPOULIA K D.Modeling cover-cracking due to reinforcement corrosion in RC structures［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，127(4):342-351.

［3］張俊杰.型鋼輕骨料混凝土梁斜截面承載力的試驗研究［J］.混凝土，2005(2):91-98.

［4］何 陶.型鋼輕骨料混凝土梁正截面受彎裂縫的試驗研究［D］.哈爾濱:黑龍江科技學院，2009.