π型連接件對(duì)冷彎薄壁拼合梁抗彎性能影響分析

【摘 要】?為研究Π型連接件對(duì)由冷彎薄壁C型截面鋼拼合得到的鋼梁在受彎情況下的力學(xué)性能的影響，文章利用有限元軟件ABAQUS對(duì)11根拼合梁建立精細(xì)有限元模型。對(duì)考慮初始缺陷的兩端簡(jiǎn)支拼合梁進(jìn)行兩點(diǎn)加載，采用非線性分析方法對(duì)包含不同間距、長(zhǎng)度、位置的Π型連接件的拼合梁有限元模型進(jìn)行了數(shù)值參數(shù)分析，結(jié)果表明設(shè)置連接件能在一定程度上提高梁的抗彎承載力;減小Π型連接件的間距及增加連接件長(zhǎng)度對(duì)梁的極限承載力提高作用并不顯著;在純彎段集中布置連接件可以很好的控制由局部屈曲現(xiàn)象的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】冷彎薄壁組合梁; C型鋼; Π型連接件; 抗彎承載力; 初始缺陷; ABAQUS

近年來，隨著我國(guó)建筑工業(yè)化的推進(jìn)，冷彎薄壁鋼構(gòu)件在低層和中層住宅及工業(yè)建筑的應(yīng)用逐漸增長(zhǎng)，同時(shí)冷彎薄壁拼合構(gòu)件也應(yīng)運(yùn)而生。此類構(gòu)件常通過螺栓、連接件等將簡(jiǎn)單形式截面的冷彎薄壁構(gòu)件組合而成，通過此種方式，達(dá)到改變截面慣性矩增大截面面積的目的。目前規(guī)范對(duì)此類組合梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)的指導(dǎo)較少，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷彎薄壁拼合鋼構(gòu)件進(jìn)行了大量研究。周緒紅教授[1-3]采用試驗(yàn)和有限元方法分析了材料強(qiáng)度、翼緣寬厚比、腹板高厚比、板件厚度以及梁長(zhǎng)度對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字梁的受彎性能的影響，并提出了計(jì)算冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字梁極限承載力的有效寬度法和折減強(qiáng)度法。趙陽[4]等通過試驗(yàn)及有限元軟件研究了螺釘間距對(duì)冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面短柱承載力的影響。聶少鋒[5]等通過有限元方法研究雙肢開孔冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面立柱的軸向受力性能，對(duì)立柱長(zhǎng)細(xì)比、腹板寬度、試件厚度、開洞情況及孔洞間距等參數(shù)的影響進(jìn)行了非線性分析，并與規(guī)范對(duì)比提出了相應(yīng)軸壓承載力計(jì)算的建議修正公式。YoungB[6-7]等對(duì)不同腹板加勁尺寸的冷彎薄壁雙肢背靠背拼合截面立柱進(jìn)行了試驗(yàn)及有限元分析，并根據(jù)直接強(qiáng)度法計(jì)算試件最大承載力，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，修正計(jì)算方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可靠性。Wang和Young [8]通過試驗(yàn)研究，給出了開放式和封閉式冷彎薄壁拼合梁的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見。

本文對(duì)由C型截面組成的冷彎薄壁拼合梁受彎性能進(jìn)行了數(shù)值研究，該種拼合梁通過π型連接件將兩根C型截面構(gòu)件連接在一起形成組合梁，擁有雙軸對(duì)稱，具有更大的扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)點(diǎn)。利用通用有限元軟件ABAQUS [9]建立非線性有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究了設(shè)置不同間距、長(zhǎng)度、位置的Π型連接件對(duì)拼合梁強(qiáng)軸受彎情況下力學(xué)性能的影響。建立了11根拼合梁模型，模型兩端簡(jiǎn)支，采用兩點(diǎn)加載方式，連接件連接位置及構(gòu)件截面尺寸如圖1所示。

1 有限元分析

1.1 模型網(wǎng)格與材料

利用ABAQUS對(duì)9根不同π型連接件設(shè)置的冷彎薄壁組合梁進(jìn)行了建模。模型采用的三維實(shí)體縮減積分單元C3D8R，具有八個(gè)節(jié)點(diǎn)?；谀Ｐ统叽纾紤]精度與計(jì)算速度，采用網(wǎng)格尺寸為10 mm×10 mm。π型連接件與冷彎薄壁C型鋼都采用Q235鋼，建模輸入材料參數(shù)見表1。

1.2 接觸與連接

建立墊塊用以加載傳遞板及作為兩端支座，墊塊與試件為罰函數(shù)接觸方法，考慮摩擦系數(shù)為0.3。為防止模型分析時(shí)發(fā)生穿透現(xiàn)象，建立硬解觸。使用ABAQUS中的Tie約束模擬螺栓對(duì)連接件和C型鋼的連接作用。

1.3 載荷和邊界條件

分別在載荷傳遞板和試件之間的接觸表面中間建立兩個(gè)參考點(diǎn)，以模擬兩個(gè)加載點(diǎn)。參考點(diǎn)采用Coupling在所有自由度上以運(yùn)動(dòng)學(xué)方式與相關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合。同樣建立兩個(gè)端部耦合約束，參考點(diǎn)位于截面的質(zhì)心處約束試件面外位移。對(duì)兩端墊塊固定實(shí)現(xiàn)試件的簡(jiǎn)支邊界條件，通過對(duì)加載點(diǎn)位移控制進(jìn)行加載。模型加載如圖2所示。

工程結(jié)構(gòu)肖姝瑋： π型連接件對(duì)冷彎薄壁拼合梁抗彎性能影響分析

1.4 幾何缺陷

在有限元模型中，對(duì)構(gòu)件賦予了初始缺陷。通過在從ABAQUS中Linear perturbation下的Buckle分析步中計(jì)算，獲得彈性臨界屈曲分析獲得的第一特征值屈曲模態(tài)，將局部幾何缺陷導(dǎo)入到模型中，進(jìn)行采用Risk分析步進(jìn)行位移加載。對(duì)于初始缺陷的振幅，周緒紅等[10]曾對(duì)冷彎薄壁C型鋼構(gòu)件局部初始缺陷進(jìn)行實(shí)測(cè)，最大值為腹板高度的0.005倍，國(guó)外學(xué)者Schafer和Pekz[11]對(duì)兩種不同類型的冷彎薄壁構(gòu)件給出了對(duì)應(yīng)概率的建議值，對(duì)應(yīng)于50 %概率，局部幾何缺陷振幅為0.34 t，其中t是構(gòu)件厚度，綜合考量本文有限元參數(shù)模型中采用幾何缺陷振幅為0.68 mm。圖3顯示了從編號(hào)為1-5-50試件模型屈曲分析中獲得的幾何缺陷。

2 參數(shù)分析

為研究π型連接件不同設(shè)置方式對(duì)拼合梁抗彎性能的影響，考慮了連接件不同設(shè)置間距、連接件不同長(zhǎng)度及梁通長(zhǎng)布置與僅在純彎段集中布置兩種情況，同時(shí)建立不含有π型連接件的雙肢冷彎薄壁C型拼合鋼梁，編號(hào)為1-0-0試件作為對(duì)照。對(duì)拼合梁進(jìn)行標(biāo)記，各試件具體參數(shù)見表2。所有梁試件的模型長(zhǎng)度為2 400 mm，彎矩跨度為1 000 mm。參數(shù)有限元分析結(jié)果以彎矩承載力和變形結(jié)果給出。

3 結(jié)果分析

3.1 π型連接件間距對(duì)組合梁抗彎性能影響

從有限元分析結(jié)果可以得到，組合梁在跨中位移30～40 mm左右時(shí)達(dá)到極限抗彎承載力，隨著加載的進(jìn)行，由于幾何缺陷的存在，試件都將發(fā)生不同程度的屈曲破壞，如圖4（a）、4（c）所示，設(shè)置連接件的組合梁抗彎承載力都大于未設(shè)置的參照組。由表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著π型連接件間距的減小，組合梁的抗彎承載能力呈現(xiàn)增漲趨勢(shì)，見表3，但提高的抗彎承載力都相對(duì)較小。

3.2 π型連接件長(zhǎng)度對(duì)組合梁抗性能影響

該組間距均為570 mm，連接件長(zhǎng)度包含50 mm、80 mm、100 mm、150 mm，從分析結(jié)果可以看出，該組試件同樣在30～40 mm左右時(shí)達(dá)到極限抗彎承載力，都將在加載后期發(fā)生局部屈曲破壞，組合梁抗彎承載力與連接件長(zhǎng)度呈現(xiàn)正相關(guān)，見表4，但增加連接件長(zhǎng)度對(duì)承載力提高效果并不顯著。

3.3 π型連接件位置設(shè)置對(duì)組合梁抗性能影響

長(zhǎng)度為50 mm，100 mm，150 mm的連接件在梁通長(zhǎng)設(shè)置，與僅在加載中部純彎段設(shè)置分析進(jìn)行分析比較。從表5可以看出，同樣數(shù)目的π型連接件，將其設(shè)置在中部純彎段抗彎承載力提高效果優(yōu)于連接件通長(zhǎng)設(shè)置。值得注意的是，在純彎段集中設(shè)置π型連接件，3種不同長(zhǎng)度連接件的加載過程中均未出現(xiàn)明顯屈曲現(xiàn)象，由圖4可以看出，相比與全梁通長(zhǎng)設(shè)置組，顯著的控制了局部屈曲現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文研究了含有π形連接件的雙肢冷彎薄壁C型鋼組合得到拼合梁的受彎性能。在ABAQUS有限元程序中，建立了具有幾何缺陷的非線性有限元模型，分析了π形連接件在不同間距、不同長(zhǎng)度及不同設(shè)置位置情況下，對(duì)組合梁的抗彎性能的影響。根據(jù)本文提出的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）所有實(shí)驗(yàn)組的組合梁都在跨中最大位移30～40 mm左右時(shí)達(dá)到極限抗彎承載力，隨著π形連接件間距的減小、連接件長(zhǎng)度的增加，組合梁的極限承載力將提高，但兩者對(duì)承載力提高的效果并不顯著。

（2）在同樣個(gè)數(shù)連接件的條件下，將連接件通長(zhǎng)設(shè)置對(duì)承載力的提高不如僅在純彎段設(shè)置，此外，在純彎段集中設(shè)置連接件能很好的控制組合梁局部屈曲現(xiàn)象的發(fā)生。

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