不銹鋼焊接工字型截面短柱試驗的有限元模擬

孫維喜

摘?要：本文基于有限元分析軟件ABAQUS，對不銹鋼焊接工字型截面短柱試驗進行有限元建模與分析。本文詳細描述了建模步驟和方法，建立了能夠擬合不銹鋼焊接工字型截面短柱試驗的有限元模型。

關鍵詞：不銹鋼;焊接工字型截面;有限元分析

文章編號：2095-4085（2020）08-0074-02

近年來不銹鋼作為建筑結構材料被廣泛應用于土木建筑工程中。與普通低碳鋼相比，不銹鋼具有超強的耐腐蝕特性和完美的表面裝飾效果。國外學者（Saliba and Gardner （2013）[1]，Yuan et al. （2014）[2]，Sun and Zhao （2019）[3]）對不銹鋼焊接工字型截面受壓構件已進行了大量試驗研究，本文將基于試驗研究，利用有限元軟件ABAQUS，建立不銹鋼焊接工字型截面短柱的有限元模型。

1?有限元模型建立

本文采用四節點曲殼單元S4R進行建模，殼單元的寬度等于板厚t。在彈塑性材性建模中，試驗得到的不銹鋼名義應變與名義應力曲線，按式（1）和式（2）（Saliba and Gardner （2013）[1]）轉換成塑性應變與真實應力曲線，輸入到ABAQUS中并賦予模型，其中σnom為名義應力，εnom為名義應力，σtrue為真實應力，εlnpl為塑性應變，E為不銹鋼的彈性模量。

焊接工字型截面含有較大的殘余應力，因此通過施加預應力的方法將殘余應力添加到不銹鋼焊接工字型截面短柱的有限元模型中。工字型截面短柱的每個端面都耦合于一個參考點，底部參考點完全約束無平動和轉動自由度，頂部參考點則只能沿軸向平動，以此來實現兩端固定軸向加載的邊界條件。初始幾何缺陷在建模中充分考慮。模型通過特征值屈曲分析產生不同的局部失穩模態，第一階局部失穩模態被作為初始幾何缺陷被賦予模型，初始幾何缺陷幅值為t/100（即初始缺陷因子為t/100）。

2?有限元模型分析

圖1展示了所建立的不銹鋼焊接工字型截面短柱有限元模型。有限元模型通過非線性靜態Riks分析，可以得到模型的破壞形態，最大荷載以及荷載-承載力曲線。圖2展示了截面為I-100×100×5的不銹鋼焊接工字型截面短柱有限元模型的破壞模態。

3?結?語

本文基于有限元分析軟件ABAQUS，對不銹鋼焊接工字型截面短柱試驗進行有限元建模與分析。建模的步驟和方法以及最終建立的不銹鋼焊接工字型截面短柱有限元模型在文中詳細給出，有限元模型通過非線性靜態Riks分析，得到一系列有限元結果，從而證明其可以模擬不銹鋼焊接工字型截面短柱試驗。

參考文獻：

[1]SALIBA N， GARDNER L. Cross-section stability of lean duplex stainless steel welded I-sections[J].Journal of Constructional Steel Research，2013，（80）：1-14.

[2]YUAN H， WANG Y， SHI Y， GARDNER L. Stub column tests on stainless steel built-up sections[J].Thin-Walled Structures，2014，（83）：103-114.

[3]SUN Y， ZHAO O. Material response and local stability of high-chromium stainless steelwelded I-sections[J].Engineering Structures，2019，（178）：212-226.