殘余應力對雙軸對稱工字形鋼梁穩定承載能力的影響

摘 要：本文以殘余應力為研究對象，基于非線性有限元理論，通過變化構件腹板，翼緣的殘余應力峰值，從荷載-位移曲線、承載力的發展等方面入手，討論了殘余應力對雙軸對稱工字型鋼梁穩定承載能力的影響。

關鍵詞：殘余應力；工字型鋼梁；穩定承載能力

1 引言

鋼結構中的殘余應力是由于構件在生產和制作過程中產生不均勻變形引起的。由于生產工藝不同，形成的殘余應力性質也不盡相同。殘余應力的存在會降低截面抗側向剛度和構件平面內整體抗彎剛度，導致構件發生整體彎扭屈曲；殘余應力的存在也會使局部板件提早進入塑性階段，降低板件抗彎剛度，導致板件過早發生局部屈曲。也有可能兩者兼有，影響板件局部與構件整體的相關屈曲性能。

2 計算模型

為清楚的說明殘余應力對工字形鋼梁穩定承載能力的影響，本文對梁兩端的約束作了特殊處理。梁一端約束Ux，Uy，Uz三個自由度，而另一端約束Uy，Uz兩個自由度。在考慮局部初始幾何缺陷及非線性的條件下對構件的一端施加軸向荷載。計算模型見圖1。材料假定為理想彈塑性體，屈服強度為235MPa，泊松比=0.3。假定構件整體初始幾何缺陷為一階屈曲模態，峰值為0.001的構件長度；忽略局部初始幾何缺陷。構件縱向為z軸，腹板高度方向為y軸，腹板平面外方向為x軸，坐標系原點定義在梁一端的質心。

3 殘余應力在ANSYS中的模擬（見圖2）

把殘余應力編成初應力文件輸入到ANSYS中。所選單元為Shell181，沿厚度方向有5個非標準積分點，假設沿厚度方向殘余應力無變化。初應力文件如下：其中6個值分別代表了單元5個積分點的應力分量。應力分量的方向根據單元坐標系來確定，SY就是代表全局坐標系中的殘余縱向應力。在模型中，翼緣分為10個單元，腹板分為25個單元，沿y方向分為50個單元。

4 計算分析

為分析殘余應力峰值對雙軸對稱工字型鋼梁穩定承載能力的影響，取一組構件考慮三種殘余應力分布情況進行比較分析。構件尺寸：翼緣寬度200mm；翼緣厚度12mm；腹板高度500mm；腹板厚度8mm；構件長度4000mm。三種殘余應力分布情況見下表。

①荷載-位移曲線：

3個構件達到極限承載力時平面內最大位移點全過程荷載-位移曲線見圖3。綜合以上三條曲線，可以得到以下結論：1）縱向殘余應力對構件抗彎剛度的影響較小，殘余應力的存在并沒有顯著降低構件側向剛度。2）殘余應力使構件提早進入塑性階段，降低了變形模量，降低構件的屈曲荷載。即構件截面的優先慣性矩只是截面彈性區的慣性矩Ie，而構件的抗彎剛度將由EI降低至EIe。3）不同殘余應力分布對于軸心受壓構件屈曲荷載的影響有很大差異，其中以位于截面外側且具有很高殘余應力峰值的對屈曲荷載的影響最為顯著。4）殘余應力對構件強軸與弱軸的影響不同。

②極限承載力

當構件受到靜荷載作用時，構件截面上由外荷載產生的壓應力與殘余應力相互疊加，使構件出現不均勻應力分布，隨著外荷載的不斷增加，高應力區先達到屈服區而進入塑性狀態。當外荷載繼續增加時，新增的荷載只能由未達到屈服點的彈性區承擔，隨著外荷載的不斷增加，塑性區不斷擴大，直到全截面應力達到屈服點。這時，構件的承載力N與沒有殘余應力的承載力完全一樣。殘余拉應力使殘余拉應力區屈服較晚，殘余壓應力使殘余壓應力區屈服較早。

而對于極限承載力來說，殘余應力對雙軸對稱工字型鋼梁承載力的削減幅度基本都在20%以內。殘余應力峰值越大，其承載力與無殘余應力的承載力差值也越大，因此承載力對殘余應力很敏感，殘余應力會降低構件的承載力。

5 結論

本文對雙軸對稱工字型鋼梁構件中的殘余應力問題進行了分析、研究，得出如下結論：

5.1 由于殘余應力？滓rc的存在降低了軸壓桿的穩定承載力；遠離主軸的截面邊緣出現最大殘余壓應力 時對桿件臨界力的影響最大，最不利；殘余壓應力？滓rc的存在對桿件繞不同軸方向屈曲的影響程度不同。對弱軸的影響比對強軸的影響要大。

5.2 殘余應力對構件極限狀態時的局部屈曲模式的影響較顯著，對局部屈曲的變形幅值有較大的影響。殘余應力的存在促進了構件局部屈曲的發展，從而影響了構件屈曲性能。

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