角碼連接件對CFS卷邊拼合柱極限承載力的影響

張豪杰

(西南交通大學木工程學院， 四川成都 610031)

近年來，冷彎薄壁鋼由于其易于加工且便于安裝的優點，在建筑領域得到廣泛應用。一般而言，CFS柱在軸壓荷載作用下可能發生局部屈曲、畸變屈曲、整體屈曲[1-2]，在一定條件下，這3種屈曲模式還會出現兩兩相關或三者相關的耦合屈曲，即相關屈曲，而多肢拼合柱往往由于“板組效應”可以避免試件過早發生局部屈曲[3]；另一方面，隨著科學技術的發展，傳統的“背靠背”連接方式已經不能滿足人們對于鋼材安裝靈活性的需求，而關于帶有角碼連接件等新型的的冷彎薄壁鋼組合構件形式卻鮮有報道，本文旨在探究角碼連接件和初始缺陷對這種CFS構件極限強度的影響,為這一類通過角碼連接件連接的CFS柱的設計提供了參考。

1 構件尺寸

單肢構件長度為2 590 mm，厚度為2 mm，高度為50 mm，寬度為150 mm，構件組合方式如圖1(a)所示，構件與連接件之間采用螺栓連接，截面尺寸如圖1(b)所示，連接件尺寸如圖1(c)所示。

圖1 構件、截面與連接件尺寸

2 有限元建模

2.1 網格劃分及材料選擇

使用Hypermesh完成面網格劃分，并賦予殼單元2 mm厚度，單元類型選用減縮積分單元S4R，沿厚度方向設置5個積分點。建模時選用的材料為Q235鋼，所用的材料數據如表1、表2所示。

表1 材料的密度、彈性模量與泊松比

表2 材料的彈塑性段力-位移數據

利用式(1)、式(2)求得其真實應力應變曲線(圖2)。

ε*=ln(1+ε)

(1)

σ*=σ(1+ε)

(2)

圖2 材料真實應力-真實應變曲線

2.2 邊界條件與荷載施加

角碼連接試件(SJ1)使用TIE約束代替螺栓的連接作用，邊界條件為一端鉸接，另一端只對沿桿件方向的位移不做限制而限制其他方向的位移為0，并沿構件方向施加位移荷載，將兩端分別使用TIE連接至2個面，為方便計算面使用解析剛體，同時為了由于支座轉動軸到接觸面的距離，將解析剛體的參考點于幾何中心向平面外偏移12 mm，兩端都只允許其沿弱軸方向轉動，為研究角碼連接的作用，建立同尺寸同材料同截面同邊界的對照試件(SJ2)。建立的有限元模型如圖3所示。

2.3 有限元分析結果

本文使用Abaqus有限元分析軟件首先進行了特征值屈曲分析，所用分析步為Bulking。1階模態如圖4所示。

圖4 一階屈曲模態

可以看到，相比簡單拼合柱，角碼連接件的使用減小了構件側邊的變形量，而對構件的臨界半波數幾乎沒有影響。然后以第一模態為基準，分別取初始缺陷0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、7.5 mm和10 mm，進行非線性屈曲分析，所用分析步為Riks。有限元分析中出現了畸變-局部-整體耦合屈曲模式，即先發生局部屈曲，在發生局部屈曲時，弧長法產生了極小段負弧長增量，有限元結果見圖5。

圖5 有限元分析結果

比較SJ1試件和SJ2試件的有限元分析結果，SJ1由于卷邊的約束作用，應力相比SJ2試件更加集中在邊上。屈曲形態上，SJ1呈現出明顯的彎曲變形，而SJ2表現出明顯的軸壓變形。

3 數據分析

各缺陷下剛體面參考點的反力-位移曲線如圖6所示，其中im005表示初始缺陷為0.5 mm，im010表示初始缺陷為1 mm，以此類推。

圖6 各初始缺陷下參考點的力-位移曲線

可見，角碼連接件一方面起到了傳力的作用，另外一方面也增加了截面的抗彎剛度，從而增加了截面的極限強度。初始缺陷對SJ1和SJ2試件的極限強度均有較大影響，SJ2受到初始缺陷的影響更大，比較2個試件屈服點出現時的位移，可見初始缺陷幾乎不會使SJ1屈曲提前發生，而SJ2受到初始缺陷的影響較大，但SJ1屈曲后強度的下降速度比SJ2要快，且SJ2下降速度隨初始缺陷的增大而減小，但所有的試件的曲線于7 mm處匯集為一點。

4 結論

角碼連接件一方面起到了傳力的作用，另外一方面也增加了截面的抗彎剛度，從而增加了截面的極限強度，SJ1相比SJ2極限強度提高約25%。比較2個試件屈服點出現時的位移，可見初始缺陷幾乎不會使SJ1屈曲提前發生，而SJ2受到初始缺陷的影響較大，缺陷為L/250的試件相比缺陷為L/5 000的試件達到屈服時的位移相差了1.5 mm，約為相差初始缺陷的15%，但SJ1屈曲后強度的下降速度比SJ2要快，在3～7 mm這個位移區間，在初始缺陷為L/5 000下的SJ1和SJ2極限強度分別下降了70%和25%，且SJ2下降速度隨初始缺陷的增大而減小，但所有的試件的曲線于7 mm處匯集為一點。