腹板開孔冷彎薄壁C形鋼非純彎構件有限元分析

饒 敏 袁修文 張 成

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在實際工程中常常因電路、管線的安裝及結構側向支撐的布置在冷彎薄壁型鋼構件的腹板上開設孔洞[1]。以往國內外學者對腹板開孔冷彎薄壁C形鋼受彎構件的屈曲性能研究較少且主要集中在純彎工況下的研究[2,3]，但在實際工程應用中受彎構件常處于非純彎受力狀態。因此，本文通過對不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的冷彎薄壁C形鋼非純彎構件進行有限元分析，探究腹板開孔對此類非純彎構件屈曲模式及抗彎承載力的影響規律。

1 構件設計及有限元建模

1.1 構件尺寸設計

未開孔構件及開孔構件的截面參數定義如圖1所示。構件長度為2 520 mm，中間研究區段長度L=1 200 mm。選取板件厚度t=2.0 mm,2.5 mm和3.0 mm，腹板高度H=160 mm,180 mm,200 mm和220 mm，所有構件翼緣寬度B均為80 mm，直卷邊長度d=40 mm。開孔構件均在研究區段中點腹板上開設一個孔洞，如圖2所示。孔洞高度A通過孔高比(A/H)來確定，本文選取孔高比A/H=0.2,0.4,0.6和0.8?？锥吹拈L度按照工業標準化開孔尺寸取Lh=101.6 mm[2]。板件間彎曲內徑r=t。構件編號規則見圖3。

1.2 有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181殼單元對構件、蓋板及連接件進行建模。兩個相同構件通過荷載連接件和支座連接件背靠背連接，在構件非研究區段的翼緣上布設蓋板以減少非研究區段對研究區段的影響。通過耦合連接模擬蓋板與構件之間以及構件與連接件之間的螺栓連接。分析時在支座連接件的腹板底面節點上施加約束，一端約束兩個方向上的位移以模擬轉動鉸支座，另一端約束三個方向的位移以模擬固定鉸支座。集中荷載施加于荷載連接件的腹板頂面節點上。鋼板的材料屬性：屈服強度fy=345 MPa；彈性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比v=0.3。有限元模型如圖4所示。

2 有限元分析

有限元分析分兩個階段進行：第一階段，特征值屈曲分析以獲得構件可能發生的第一階屈曲模態；第二階段，非線性分析，在第一階段分析結果基礎上對構件施加初始幾何缺陷進行非線性分析，得出構件的屈曲模式和抗彎承載力。初始幾何缺陷取值依據文獻[4]中實測結果確定。構件殘余應力及因彎曲造成的材料屈服強度提高對構件承載力具有相反作用，二者被近似視為相互抵消，故分析時不作考慮。

3 有限元計算結果分析

不同孔高比的構件均發生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關屈曲破壞。由于非純彎構件的研究區段受梯度彎矩作用，因此，局部屈曲易發生在彎矩最大的加載點附近的受壓翼緣上(如圖5a)～圖5c)所示)，以板厚t=3.0 mm的構件為例)。當孔高比增大到0.8時，開孔處截面削弱過于嚴重，板件折減厚度過小，即寬厚比變得很大，明顯的局部屈曲發生在孔洞上方的受壓翼緣上(如圖5d)所示)，以板厚t=3.0 mm的構件為例)。

如圖6所示為構件抗彎承載力隨孔高比的變化規律(以板厚t=3.0 mm的構件為例)。當孔高比由0增大至0.6時，大部分開孔構件抗彎承載力相比于未開孔構件變化不明顯；當孔高比進一步增大至0.8時，構件抗彎承載力會出現大幅陡降的現象。構件抗彎承載力的變化規律與屈曲模式密切相關，當孔高比不大于0.6時，開孔構件發生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關屈曲，且局部屈曲變形主要發生在加載點附件的受壓翼緣上，與未開孔構件屈曲變形一致，又因局部屈曲受梯度彎矩影響小[5]，所以抗彎承載力—孔高比曲線基本保持水平；當孔高比增大至0.8時，構件同樣發生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關屈曲，但局部屈曲變形主要發生在孔洞上方的受壓翼緣上，說明孔洞對腹板剛度的削弱已非常嚴重，孔洞周圍的應力集中現象使構件抗彎承載力大幅陡降。

4 結語

通過對不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的腹板開孔冷彎薄壁C形鋼非純彎構件進行有限元分析，得出以下結論：

1)不同孔高比的構件均發生了以局部屈曲為主的局部—畸變相關屈曲破壞。2)當孔高比不大于0.6時，與未開孔構件相比，開孔構件抗彎承載力變化不大；當孔高比進一步增大至0.8時，構件抗彎承載力大幅陡降。