腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁屈曲性能研究★

劉寶琦 趙金友 陳天威 楊守一 張佳樂 祝怡晴

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁已廣泛應用于實際工程，如北京國際機場候機大廳和廣州國際會議會展中心［1］。腹板開孔方便電路管線和管道設施等建筑用線從構件中穿過，并減輕結構的自重，但開孔改變了構件的應力分布和屈曲模式等［2］。

國內外學者已對腹板開設不同形狀孔洞的腹板開孔冷彎薄壁型槽鋼梁的屈曲性能進行了研究，國外學者Moen［3］、國內學者王春剛［4］和趙金友［5］等對腹板開矩形孔冷彎薄壁型鋼梁的屈曲性能進行了研究;國內學者王莉萍［6］對腹板開圓孔冷彎薄壁組合截面梁屈曲性能進行了研究。目前尚未見腹板分別開設不同形狀孔洞的冷彎薄壁槽鋼梁屈曲性能的研究。本文通過對不同開孔個數和不同形狀孔洞的腹板開孔冷彎薄壁槽鋼梁進行了線性和非線性的有限元分析，探究不同形狀孔洞對腹板開孔冷彎薄壁梁屈曲性能的影響。

1 有限元模型

1.1 驗證有限元模型

利用有限元分析前，對文獻［5］中已有試驗的短卷邊腹板開矩形孔冷彎薄壁槽鋼梁進行了模擬，模擬結果和試驗結果對比見表1，由表1可知，有限元模擬與試驗的屈曲模式基本一致，有限元模擬與試驗的極限抗彎承載力誤差僅為3.1%。表明了采用有限元軟件ANSYS分析此類構件的可行性。

表1 短卷邊構件有限元分析與試驗結果對比

1.2 選取構件截面參數

構件分析模型及彎矩示意圖如圖1所示，構件長度L=3 720 mm，中間研究區段l=1 200 mm，構件截面尺寸示意圖如圖2所示，具體為:腹板高度H=200 mm，孔洞高度A=0.5H(即孔洞高度分別為100 mm)，為使不同形狀孔洞具有相同的面積率和應力應變，運用等效面積法使圓孔轉換成等高的矩形孔洞，即矩形孔寬度為78.5 mm。板厚t=2.0 mm，孔洞數目N分別為1個、2個和3個，卷邊長度a=20 mm。

圖1 構件分析模型及彎矩示意圖

圖2 構件截面尺寸圖

2 有限元計算結果分析

有限元分析分為兩個過程，分別是特征值屈曲分析和非線性分析;特征值屈曲分析是完全理想無缺陷的構件在彈性狀態下可能出現的屈曲模式;非線性分析是在特征值屈曲分析的基礎上施加初始缺陷的構件在幾何和材料雙重非線性下的分析。

2.1 特征值屈曲分析結果

當孔洞數目分別為1個、2個和3個時，開圓孔構件的特征值屈曲模式圖均呈現的是反對稱的純畸變屈曲，如圖3a)所示;開矩形孔構件的特征值屈曲模式圖也均呈現的是反對稱的純畸變屈曲，如圖3b)所示。

圖3 特征值屈曲模式圖

2.2 非線性屈曲性能分析

2.2.1 屈曲模式

當孔洞個數分別為1個、2個和3個時，開圓孔構件的破壞模式均呈現的是以畸變為主的畸變和局部的相關屈曲，如圖4a)所示;開矩形孔構件的破壞模式也均呈現的以畸變為主的畸變和局部的相關破壞模式，如圖4b)所示。

2.2.2 極限抗彎承載力

圖5是腹板分別開設等面積等高度的開圓孔和開矩形孔的冷彎薄壁槽鋼梁在非線性條件下的極限抗彎承載力隨著孔洞個數變化的情況。

從圖5可以看出，與未開孔構件相比，開圓孔構件和開矩形孔構件的極限抗彎承載力均呈現下降的趨勢;開圓孔構件和開矩形孔構件的極限抗彎承載力隨著孔洞數目的變化均有較小的影響。當孔洞數目為1個時，開矩形構件的極限抗彎承載力高于開圓孔構件;當開孔數目為2個和3個時，開圓孔構件的極限抗彎承載力高于開矩形構件，且兩種構件在不同孔洞個數情況的具體極限抗彎承載力如表2所示。

圖5 開孔構件極限抗彎承載力隨開孔個數變化圖

表2 不同孔構件的極限抗彎承載力隨孔高比的變化情況

3 結語

通過對不同開孔個數和開設不同形狀孔洞的冷彎薄壁槽鋼梁進行純彎狀態下有限元分析，得出結論:當冷彎薄壁槽鋼梁分別開設等面積等高度圓孔和矩形孔時，開設不同形狀孔洞對構件的屈曲模式有較小的影響。