寬厚比對鋼板軸向受壓承載力影響有限元分析

趙軍

（凱里學院 建筑工程學院，貴州 凱里556000）

隨著我國城市化的推進和工業化的發展，鋼板因其強度高、質量輕、集成化生產、施工速度快等眾多優點在建筑、醫療、船舶等行業應用愈加廣泛，由于鋼板強度高、質量輕、施工簡便、工期短，廣泛應用于大跨度結構、高層建筑、船舶甲板、飛機艙體等結構里。目前對鋼板受彎受剪承載力的研究較多，而鋼板軸向受壓屈曲破壞的研究少之又少，在一定程度上制約了鋼板結構的發展。鋼板的軸向受壓承載力受鋼板厚度、寬度、強度等級、邊界條件、殘余應力等諸多因素影響，而本文主要研究鋼板寬厚比對鋼材軸向受壓承載力的影響。

在寬厚比對鋼板軸向受壓承載力實驗研究的基礎之上，用ABAQUS 模擬鋼板在軸向受壓情況下鋼板屈曲破壞分析，與實驗結果進行比較，驗證有限元模擬分析的的準確性，同時為鋼板軸向受壓承載力研究提供理論基礎。

1 單元選取及模型建立

圖1 鋼板軸向受壓示意圖

圖2 鋼板軸向受壓有限元建模圖

表1 實驗樣本材料構件參數

為考慮不同寬厚比對鋼板軸向受壓條件下的影響，Bradfied實驗抽取由寬厚比為25 至70 軸向受壓鋼板共14 組樣本，每個樣本鋼板邊界條件為簡支撐。為定量分析研究鋼板在不同寬厚比下軸向受壓影響，所有鋼板均采用同樣簡支撐邊界條件，鋼板厚度均為6mm,長度為寬度的4 倍，理論屈服強度、極限強度、楊氏模量、泊松比均相同。在長邊方向施加軸向壓力，觀察其屈曲變形直至破壞整個過程，測得屈服強度及極限強度。實驗物理模型和ABAQUS 建模如圖1 和圖2。

樣本序號根據樣板特點命名，比如25S 1U，25 是寬厚比；S為簡支撐；1 為初始撓度與寬度的比值（Δ/b=0.001）；5 為初始撓度與寬度的比值（Δ/b=0.005），U 為無焊縫鋼板。

2 實驗值與有限元模擬數值對比分析

經過有限元模擬分別得出鋼板的極限抗壓強度和屈服強度的比值（óm/ó0）FEA與Bradfied 實驗極限強度和屈服強度比值（óm/ó0）EXP進行對比分析，不難發現，鋼板軸向受壓條件下有限元分析值與實驗值偏差平均保持在10%左右，同時，極限強度隨著寬厚比的的增大而逐漸減小，具體分析結果如下：

表2 實驗與有限元結果分析

3 結論

3.1 通過ABAQUS 有限元模擬得出的簡支鋼板軸向壓力下的極限強度與屈強度比值，同時與Bradfied 實驗數值進行比較。幾何形態、材料性能、邊界條件等參數均與實驗樣本相同，其破壞特征與實驗破壞現象基本相吻合。

3.2 鋼板軸向受壓承載力有限元模擬值與實驗值之間存在約10%的偏差，這種偏差在可能來源于實驗鋼板的殘余應力所致，再者由于實驗為非理想狀態，實驗人員難以設置與有限元模擬完全一致的邊界條件，而ABAQUS 有限元模擬忽略了殘余應力的影響及邊界條件理想化，所有導致實驗數值與有限元模擬數值的偏差，然而平均偏差值僅為10%左右，表明簡支鋼板軸向壓力下的極限強度及屈服強度有限元模擬符合實際情況，驗證了簡支鋼板在軸向壓力下承載力隨著高寬比增大而減小的準確性。

3.3 鋼板軸向受壓承載力進行有限元模擬分析，在不同的高寬比條件下得出的極限強度、屈服強度的比值逐漸減小，說明鋼板的極限承載力隨著其寬厚比增大而減小，為優化鋼板在軸向壓力下的受力性能研究提供理論基礎。