多鋼種混用波紋腹板壓彎構件優勢分析

谷睿鵬 李清揚

（河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲 056107）

0 引言

單向壓彎構件通常繞截面強軸彎曲，若不設置側向支點，構件往往在達到平面內失穩的極限荷載之前，發生側向彎曲和扭轉而喪失承載力，即彎矩作用平面外整體失穩。研究表明，與平腹板工形構件相比，波紋腹板工形構件的面外剛度與扭轉剛度大大提高，能有效地提高彎矩作用平面外穩定承載力[1]；多鋼種混用工形構件翼緣的強度高于腹板，可充分發揮翼緣抵抗彎矩和軸心力，承受軸向應力的優勢。由于波紋腹板構件軸向應力完全由翼緣承擔，故翼緣高強化的多鋼種混用波紋腹板構件，可大大提高翼緣抵抗軸向應力的能力。腹板波折化，翼緣高強化，實現“強強聯合”。

鑒于國內外對波紋腹板及多鋼種混用在壓彎構件中的應用研究較少，本文結合二者優勢，翼緣采用較高強度鋼材，腹板采用Q235 鋼材并使其波折化，提出多鋼種混用波紋腹板壓彎構件，研究承載力及用鋼量的優勢，為后續研究提供參考。

1 幾何模型

利用ABAQUS 有限元軟件分別對單鋼種平腹板、單鋼種波紋腹板和多鋼種混用波紋腹板壓彎構件建模，編號為A、B、C，波紋腹板構件如圖1 所示。設置三組模型部分參數相同：翼緣寬度bf=150mm，翼緣厚度tf=10mm，腹板高度hw=320mm；為防止模型A喪失整體穩定前發生局部失穩，同時為方便比較，故在三組模型的兩端及跨中均設置加勁肋，加勁肋寬度同翼緣，高度同腹板，構件長度L=4m，根據《鋼結構工程施工質量驗收標準》GB50205-2020 相關規定[2]，對于鋼柱的外形尺寸允許偏差，柱身彎曲矢高初始缺陷不得大于構件長度的1/1200，且不得大于12mm。本文選擇L/1200 初彎曲作為構件的初始缺陷。波紋腹板波形采用《波紋腹板鋼結構技術規程》（CECS 291-2011）中推薦波形1[3]，如圖2所示。

圖1 波紋腹板構件示意圖

圖2 《波紋腹板鋼結構技術規程》推薦波形1

2 材料特性、網格劃分及荷載邊界條件

本文模型均為兩端簡支的壓彎構件，采用雙折線強化本構關系，進行非線性屈曲分析。彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3，鋼材切線模量取0.01E。模型各構件均選用S4R 單元，網格劃分時綜合考慮精度及運算時間要求，選取網格種子尺寸為20mm。

為避免對單一節點加載而造成應力集中，在構件兩端截面的中心點處分別建立參考點作為邊界約束控制點，然后將構件兩端截面的6個自由度全部耦合到控制點上，兩控制點M、N 的邊界條件分別設置為U2=U3=UR1 及U1=U2=U3=UR1；對邊界條件控制點M 處沿X 方向以及構件上翼緣跨中處沿Y 方向分別施加軸向荷載與橫向荷載，二者比值始終保持為1：1，并沿構件上翼緣跨度方向150mm，寬度方向200mm 所組成的長方形區域進行結點耦合，耦合后形成的剛性面可以讓集中的應力分配到各從節點上，從而有效避免應力集中引起的構件局部破壞。

3 多鋼種混用波紋腹板壓彎構件在整穩承載力及用鋼量上的優勢

對單鋼種平腹板和單鋼種及多鋼種波紋腹板壓彎構件進行分析；為滿足《鋼結構設計標準》[4]中關于腹板高厚比（小于80εk）的要求，設置單鋼種平腹板構件的腹板厚度為4mm；由于波紋腹板能遠超平腹板高厚比限值而不發生局部失穩（高厚比可達600），故將單鋼種及多鋼種波紋腹板構件腹板厚度均設置為2mm，以下為三種模型的比較，如表1所示。

表1 三種構件的承載力及用鋼量比較

由表1 可知，單鋼種波紋腹板與單鋼種平腹板壓彎構件在承載力幾乎相同的情況下，能減少11.06%的用鋼量，說明將腹板波折化后，在保證承載能力不變的情況下可以節約一定量的鋼材；由于不同強度等級的鋼材密度變化不大，故認為單鋼種與多鋼種波紋腹板構件用鋼量保持一致。盡管高強度鋼材在造價方面更高，但將翼緣鋼材由Q235 提升至Q355 后承載能力提升了27.12%，效果十分顯著，說明將翼緣高強化能極大地提升波紋腹板壓彎構件的承載能力。

4 結論

綜合考慮受力性能良好的波紋腹板構件和多鋼種混用構件，提出一種新型的多鋼種混用波紋腹板壓彎構件，得出以下結論：

(1)將普通單鋼種平腹板壓彎構件的腹板改用波折化的壓型鋼板，可降低一定的用鋼量。

(2)將單鋼種波紋腹板壓彎構件的翼緣改用高強度鋼材，可有效地提升其承載力。

(3)多鋼種混用波紋腹板壓彎構件相較于單鋼種的平腹板及波紋腹板壓彎構件，在承載能力及用鋼量方面均有更好的表現。