武 勝 魏 源

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近些年，輕型鋼結構體系住宅在國外得到了廣泛的應用，這種結構體系的主要材料為冷彎薄壁型鋼。它具有如下的優越性：較強的抗震性能；抗風能力強；保溫隔熱效果好；耐久性好，美觀等優點[1]。冷彎薄壁型鋼是由多為0.5 mm～3.5 mm厚度的鍍鋅鋼板經過多次橫向彎曲而成[2]。它可作為承重結構，如框架、鋼架等，也可用于圍護結構或次要受力部分，如墻板和檁條等。

HF1和HF2是冷彎薄壁型鋼可采用的兩種截面形式[3]。其影響參數有：截面參數、孔洞參數、加勁參數等。其中加勁參數形式復雜，直接影響受彎構件的靜力性能。加勁參數的變化可能會造成構件屈曲模式的改變。本文研究了加勁參數對HF1,HF2腹板開孔受彎構件的影響，并給出了推薦參數，可供設計采用。

1 HF1，HF2腹板開孔構件介紹

HF1和HF2截面的翼緣被冷彎成空翼緣的形式，如圖1所示，有四種截面參數：截面高度h、截面寬度b、板件厚度t、構件長度l。有兩種加勁參數：寬度由翼緣加勁寬度比b1/b參數控制，當b1<0.5b時可以形成左右非對稱的截面形式，具體取值范圍為0≤b1/b≤0.5，但截面總應至少有一個對稱軸[3]；由參數h1來描述閉合區的高度，具體控制參數為閉合區高度比h1/h，取值范圍為0

本文采用ANSYS有限元程序對HF1和HF2截面的腹板開孔構件進行受彎性能的分析，主要以橫豎向加勁參數改變時對不同截面高度構件的影響為例來說明其影響規律。

2 建立有限元模型

在ANSYS程序中單元選用Shell181平板殼元。網格劃分尺寸控制為0.025×構件表面積1/2mm[4]。采用半模型的建模方式，構件左端為簡支約束，右端為對稱端約束。在構件端部施加梯度分布力以模擬彎矩作用。建模的過程中使用了如下兩種假設：1)認為冷彎效應和殘余應力對構件產生的影響相抵。2)忽略不計截面彎角的影響。

3 加勁參數研究

3.1 抗彎承載力分析

表1列出了各種加勁參數隨截面高度變化時對構件開孔后極限彎矩的影響。從表1中可以看到，在翼緣加勁寬度比b1/b中，除h=100 mm以外均呈現出如下規律：當b1/b=1/2時所獲得的抗彎承載力最大，b1/b=1/10次之，b1/b=1/3時強度最低。以h=150 mm時的HF1截面構件為例，b1/b=1/2時所達到的極限彎矩較b1/b=1/3時提高了4.7%，如為HF2截面則可提高10.4%。而h=100 mm時規律有所不同，因為此時的b1/b=1/2構件的變形能力較弱且初始剛度較低，導致后期強度發展能力不足，所以極限彎矩最低。綜上可知，在截面高度h≥150 mm時選擇b1/b=1/2將會得到較高的抗彎能力，而當h=100 mm時應選擇b1/b=1/10的截面。

與翼緣加勁寬度比參數相比，閉合區高度比對兩種構件影響的規律性要弱一些。對于HF1構件，當h≤150 mm時，h1/h=1/3截面的抗彎能力最大，而當h>150 mm時，h1/h=1/4的抗彎能力最佳。以h=200 mm時為例，h1/h=1/4截面的抗彎能力最強，其影響幅度達到10%。h1/h參數對兩種構件的影響不同。

3.2 屈曲模式和相對撓度分析

表1中我們可以看到，隨著橫向和豎向加勁參數的變化，兩種構件的屈曲模式也呈現規律性的變化。圖2展示了幾種典型的屈曲模式及出現該模式時所對應的幾何參數。由于構件在開孔之后變形能力會顯著降低。所以當不開孔構件發生側向彎扭的屈曲模式時，在開孔后可能會發生屈曲模式改變的現象，從而也影響了構件的延性和承載力。經試算后注意到變形能力越小的構件，越容易在開孔之后發生屈曲模式的改變。以不開孔的150 mm時HF1構件的b1/b參數為例，當b1/b=1/10和1/3時，相對撓度都較大，分別為1/188和1/268，并且在開孔之后沒有改變屈曲模式。但相對撓度較小的b1/b=1/2情形，其相對撓度為1/288，開孔后由雙軸屈曲變化成了單軸屈曲，而且伴有變形能力提升的趨勢。一些常見的規律也可以在表1中找到。以HF1構件為例，當h=250 mm，h1/h=1/3時出現了單軸屈曲并伴有局部屈曲，這是由于此時的構件翼緣斜板寬厚比過大造成了此種屈曲模式的發生。再以HF2構件為例，當h=150 mm，b1/b=1/3時，構件翼緣、腹板比例適當，且各板件寬厚比適中，故發生雙軸屈曲模式。值得注意的是，由于構件開孔原因，造成構件內部應力形式復雜，會有少數構件發生畸變屈曲，如圖2b)所示，而且跨中相對撓度值較高。

表1 HF1,HF2受彎構件靜力性能的加勁參數分析

3.3 彎矩—曲率曲線分析

圖3分別是HF1和HF2構件在兩種加勁參數變化下的彎矩—曲率關系曲線。其曲線的峰值代表了在該條件下的極限彎矩。可以看到，隨著截面高度h的變化，曲線的形態和幅值也發生變化。而且在每種截面高度條件下，隨著加勁參數的變化，曲線的上升段斜率大體不變，則加勁參數幾乎不影響構件的剛度。但可以注意到，它會影響構件的變形模式，從而影響峰值強度和構件延性。以HF1構件在h=150 mm的橫向加勁參數情形為例，當b1/b為1/10和1/3時，構件發生側向屈曲的變形模式，即發生了整體失穩，M—θ曲線表現出明顯的下降段，即屈曲后強度迅速降低。但b1/b=1/2時，左右對稱的截面形成了繞強軸的單軸屈曲模式。其M—θ曲線接近水平走勢，雖然構件彎曲程度不斷增大，但一直保持較高的抗彎強度，且極限彎矩高于前兩者。所以對于橫向加勁參數推薦b1/b=1/2。構件會因發生局部屈曲而削弱其延性，所以為使構件有較好的延性，應避免設計成板件寬厚比過大的截面形式。

少數條件下會出現開孔后反而承載力提高的現象，這是由于屈曲模式改變后，構件增大了跨中撓曲量而達到更高的承載力。它表現為能在不開孔構件曲線的波峰處再向上延伸一小段距離，可在實際工程中將這一部分性能提升作為安全儲備。

4 結語

1)在截面高度h≥150 mm時選擇b1/b=1/2將會得到較高的抗彎能力，而當h=100 mm時應選擇b1/b=1/10的截面。h1/h參數對兩種構件的影響方式不同，在確定縱向加勁參數時，要避免板件寬厚比過大的情形，以防止局部屈曲的發生。

2)加勁參數變化會影響構件的承載力，幾乎不影響構件的初始剛度，但可能會改變構件的屈曲模式。構件的翼緣和腹板比例適當時，一般發生雙軸屈曲的變形模式。