跨中作用下鋁合金卷邊工字形截面受彎構件的穩定性能

姜超 林冰

摘要：? 為研究跨中作用下鋁合金卷邊工字形截面構件的彈塑性穩定性能，采用有限元方法分析腹板高厚比、翼緣寬厚比、卷邊寬厚比、載荷作用點位置等參數對構件穩定性的影響。結果發現：構件屈曲模式與構件長度有關;腹板高厚比越大，穩定系數曲線越低，說明增大腹板高度可有效提高承載力，但相對承載能力下降;翼緣寬厚比越小，穩定性能越好;增加卷邊寬度可提高卷邊自身的抗彎剛度，增強對翼緣的約束作用，從而提高穩定性;降低橫向載荷作用點位置有利于構件保持穩定和提高承載力。有限元計算結果可驗證相關規范中的公式對此類受彎構件的適用性。

關鍵詞：? 鋁合金; 受彎構件; 彎扭失穩; 穩定系數; 有限元

中圖分類號：? TU395; TB115.1文獻標志碼：? B

收稿日期：? 2021-08-30修回日期：? 2020-09-28

作者簡介： 姜超（1996—），男，山東平原人，碩士研究生，研究方向為鋁合金穩定性，（E-mail）1907889914@qq.com;

林冰（1968—），男，回族，遼寧凌源人，教授級高工，博士，研究方向為鋼結構設計理論與施工，（E-mail）linbing@cscectc.comFlexural stability of aluminum alloy curling I-section member

under mid-span action

JIANG Chao1， LIN Bing1，2

（1. College of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China;

2. Technical Center， China State Construction Engineering Co.， Ltd.， Beijing 101300， China）

Abstract： To study the elastic-plastic stability of aluminum alloy curling I-section members under midspan action， the effects of web height-thickness ratio， flange width-thickness ratio， curling width-thickness ratio and the load position on the stability of members are analyzed by finite element method. The results show that the buckling mode is related to the length of the member; the larger the web height-thickness ratio is， the lower the stability coefficient curve is， and it shows that increasing the web height can effectively improve the bearing capacity， but the relative bearing capacity decreases; the smaller the flange width-thickness ratio is， the better the stability is; the flexural stiffness of the curling can be improved by increasing the curling width， and the constraint effect on the flanges is enhanced， and then the stability can be improved; lowering the position of lateral load is beneficial to maintaining stability and improving bearing capacity. The applicability of the formula in the relevant code to this kind of flexural members can be verified by finite element calculation results.

Key words： aluminum alloy; member; flexural; torsional-flexural buckling; stability coefficient; finite element

0引言鋁合金材料具有質量輕、強度高、美觀、耐腐蝕、低溫韌性好、可擠壓成型、可循環利用等優點，在現代建筑領域中被廣泛應用。《鋁合金結構設計規范》（GB 50429—2007）[1]的制定和推廣，大大推動鋁合金材料在建筑領域中的應用。近年來，鋁合金材料被逐漸應用到裝配式支吊架[2-4]中，典型鋁合金門式支吊架整體連接示意見圖1。

鋁合金門式支吊架由底座、立柱、連接件和橫梁等組成，立柱和橫梁均為鋁合金卷邊工字形截面構件。國內外對鋁合金軸壓構件的研究比較深入和廣泛，而有關鋁合金受彎構件的試驗研究和有限元分析工作較少，尤其是在國內，這方面的研究才剛起步。吳亞舸等[5]開展H形截面構件的跨中加載試驗，采用數值分析與試驗相結合的手段擬合Perry-Robertson形式的鋁合金梁彎扭屈曲承載力計算公式;郭小農等[6]針對H形和T形截面鋁合金構件，分別進行跨中單點加載和四分點兩點加載試驗研究;石永久等[7]針對H形截面構件進行純彎試驗，認為鋼結構規范中關于受彎構件整體穩定性的設計方法不能直接應用到鋁合金構件的設計中，并給出建議公式;翟希梅等[8]針對鋁合金箱形截面構件進行三點彎曲試驗，基于直接強度法，提出考慮材料非線性特征和構件初始缺陷的受彎承載力計算方法。本文針對6061-T6鋁合金門式支吊架橫梁的卷邊工字形受彎構件，運用有限元分析軟件Abaqus，分析在跨中集中載荷作用下其腹板高厚比、翼緣寬厚比、卷邊寬厚比、載荷作用點位置等參數對橫梁整體穩定性的影響，并與無卷邊工字形梁進行對比分析。將有限元分析結果與我國規范、歐洲規范及石永久等[7]建議公式中的穩定系數計算方法進行對比，驗證規范公式對此類截面受彎構件的適用性。

1有限元試件及模型

1.1有限元試件設計支吊架用鋁合金構件卷邊工字形截面見圖2。腹板厚度t1、翼緣厚度t2、卷邊厚度t3、卷邊寬度t4和截面高度h為變量，截面寬度b=55 mm為定值，標準對照組截面高度h=55 mm。根據國家建筑標準設計圖集《裝配式管道支吊架（含抗震支吊架）》（18R417-2）[9]和《鋁合金支吊架系統技術規程（報批稿）》推薦的常用截面尺寸，選取腹板厚度t1、截面高度h、翼緣厚度t2、卷邊厚度t3和卷邊寬度t4等5個影響因素，每個影響因素取3個數值，采用正交分析法設計5個系列有限元試件，見表1。

受彎構件的整體穩定影響因素有截面尺寸、初彎曲、初偏心和殘余應力等。鋁合金構件的制作一般采用擠壓成型技術，加工過程中會出現板件厚度不均勻的情況，在拉伸校直過程中會出現Bauschinger效應[10]。在有限元軟件模型中，初始幾何缺陷、材料的Bauschinger效應和板件厚度不均勻等影響統一設定，構件初始變形為梁長的1/1 000[10]，構件初始變形的形式選擇特征值屈曲分析中的1階模態。鋁合金構件的彈性模量較小，大約為鋼材彈性模量的1/3，因此鋁合金構件中的殘余應力不如鋼材中的顯著，鋁合金擠壓型材中的殘余應力更小，其影響可以忽略不計[10-11]。

1.26061-T6鋁合金的本構關系目前，廣泛使用的鋁合金本構模型是Ramberg-Osgood模型，即ε=σE00.002σf0.2n式中：σ為材料應力;ε為材料應變;E0為材料的彈性模量;f0.2為名義屈服強度，取0.2%殘余應變所對應的應力值;n為描述材料應變硬化的參數，取n=f0.2/10。利用SANS試驗機進行單向靜力拉伸試驗[12]，6061-T6鋁合金的力學性能參數見表2。其中：fu為極限抗拉強度;At為斷裂伸長率;υ為泊松比的平均值。

1.3有限元模型采用Abaqus軟件進行有限元分析，鋁合金卷邊構件模型采用4節點減縮積分殼單元S4R，能夠形象反映結構特征及其受力特點，達到預期效果。邊界條件為兩端夾支[13]，在跨中施加集中載荷，載荷作用點設在上翼緣，并在截面剪心處及下翼緣設置對照組，加載方式為位移控制加載，卷邊工字形構件夾支示意見圖3，其有限元模型見圖4。考慮到端部效應以及便于支撐，構件兩端分別伸出支座100 mm。

有限元計算主要包括2個步驟：第一步，對鋁合金構件進行特征值屈曲分析，得到彈性階段內構件的1階屈曲模態（見圖5），選擇1階屈曲模態作為構件的初始變形形狀，并將1階屈曲模態坐標值乘以一定比例系數作為初始缺陷值加載到模型中;第二步，采用弧長法對已施加初始缺陷的模型進行非線性屈曲分析，得到構件的極限承載力。

1.4有限元模型驗證受彎梁的整體穩定彈性臨界彎矩公式[14]為

Mcr=β1π2EIyl2y×β2ea+β3βy+

β2ea+β3βy2+IωIy1+GItl2ωπ2EIω（1）

式中：E為彈性模量;G為剪切模量;ly和lω為梁長;Iy為弱軸慣性矩;Iω為翹曲常數;It為抗扭常數;ea為橫向載荷作用點至剪心的距離;βy為截面不對稱影響系數，雙軸對稱截面取0;β1、β2和β3均為經驗參數，根據《鋁合金結構設計規范》，本文取值分別為1.365、0.553、1.730。為驗證有限元模型的正確性，采用式（1）計算A1系列構件的臨界彎矩解析解，與有限元計算結果進行比較，見圖6。兩者平均誤差為0.997，且大部分誤差在3%以內，因此采用有限元按照特征值法求解梁彈性彎扭屈曲臨界彎矩的方法可行且精度較高。為進一步驗證有限元彈塑性結果的有效性，對文獻[15]中的10個H形截面構件受彎試驗進行分析，試件編號與文獻中相同，構件的試驗結果與有限元結果對比見表3。由此可知，構件承載力平均相差4.4%，失穩類型均為整體彎扭屈曲，與文獻一致，說明本文有限元方法是可靠的，可以在此基礎上展開參數分析。

2有限元參數分析為方便計算和使用，通常定義梁的整體彎扭屈曲穩定系數φb和梁整體穩定的相對長細比λp[12]分別為φb=MuMp（2）

λp=MpMcr（3）式中：Mp為梁截面的塑性鉸彎矩，Mp=Wpf0.2;Wp為截面的塑性抗彎模量;Mu為梁的極限彎扭屈曲力矩;Mcr為理想受彎構件的彈性彎扭屈曲臨界載荷。有限元計算結果表明，構件的破壞模式分為2種：一種是彎扭屈曲和畸變屈曲的耦合破壞（見圖7），一種是整體彎扭屈曲破壞（見圖8）。當構件長度較小時，由于板件較厚，卷邊自由端與翼緣棱線發生畸變屈曲。構件越短，畸變屈曲控制作用越強，彎扭屈曲發展越不充分;當構件長度較大時，構件的破壞形式過渡到彎扭屈曲，截面形狀基本保持不變，臨近破壞時，面外位移增加較多，扭轉變形加大。

2.1腹板高厚比的影響改變腹板的厚度和高度，即系列試件A1、A2、A3、B1和B2，研究不同長細比下腹板高厚比對構件穩定性的影響。腹板高厚比對構件整體穩定性的影響關系曲線見圖9。

在腹板高度一定的條件下，極限彎矩隨高厚比減小而增大。λp<0.9時，構件整體穩定系數提高，最大提高幅度為2.4%;λp>0.9時，構件整體穩定系數曲線基本重合。在腹板厚度一定時，構件極限彎矩隨高厚比增大而增大，且效果顯著，但構件穩定系數卻減小。腹板高厚比越大，φb-λp曲線越低，說明腹板厚度對構件整體穩定的影響不大。同跨度下加大翼緣板的距離，其回轉半徑增大、長細比減小，從而承載力提高，但是在初始缺陷下，截面高度的增加使得構件更容易發生側向屈曲破壞，導致其相對承載能力下降。構件的整體穩定系數大于1，是由材料應變強化引起的。鋁合金材料截面具有非線性特征，長細比較小時抗側剛度好，材料進入應變硬化階段后，應力仍然持續增加，最終極限彎矩Mu大于塑性鉸彎矩M[8]p。材料應變硬化參數n對鋁合金受彎構件的穩定系數影響很大。6061-T6鋁合金材料屬于經過熱處理加工后的弱硬化合金，不同的熱處理方式對n的影響不同。當φb<1時，相同λp對應的φb隨著n的增大而增大，而當φb>1時相反，相同λp對應的φb隨著n值的增大而減小，這與文獻[5]結果一致。