LQ550高強冷彎型鋼偏載柱穩定性能分析

黃金炳，周臨奇，陳濤 （中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

高強冷彎薄壁型鋼在國外已廣泛應用于低層住宅和門式鋼架等建筑體系中，而在我國的發展雖起步較晚[1]，但憑借其高強、超薄、塑性低、延性差以及截面復雜多樣等特點在我國得到了快速的發展[2]，已逐漸應用于梁、板、柱等承重構件以及桁架、檁條、龍骨和門窗等次要構件中。試驗表明冷彎薄壁型鋼在受外力載荷時，常出現局部屈曲、O-O/I-I/O-I 形式的畸變屈曲以及整體屈曲三種屈曲失效模式[3-6]。現行的《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB 50018-2002）中對冷彎薄壁型鋼的相關規定主要集中于Q235 和Q345 的鋼材，而對于高強冷彎薄壁型鋼的相關規定還沒有具體的說明。此外，隨著人們對冷彎薄壁型鋼性能要求的不斷提高，冷彎薄壁型鋼構件在受力時并不受理想狀態下的軸壓，而大多受小偏心或大偏心狀態下的偏壓，有時還需要對構件進行開孔處理[7]，以便于管道和電線等設施通過。以往的學者對高強冷彎薄壁型鋼的研究多集中于軸壓構件[8-12]，而對于腹板開孔的高強冷彎薄壁型鋼柱在偏載作用下的力學性能的相關研究較少[13]。因此為促進高強冷彎薄壁型鋼的廣泛應用，對腹板開孔的高強冷彎薄壁型鋼在偏載作用下的力學性能做進一步深入研究是非常必要的，也為相關規范的完善和修改提供參考，具有重要意義。

1 有限元模型驗證

1.1 有限元模型建立

本文以徐雯凌[15]的試驗為基礎，選取試驗中的5 個構件進行數值分析。選取S4R四面體曲面殼單元對試件進行建模，以試件長度的1/1000 作為最大初始缺陷，通過對比3mm、5mm 和8mm 寬度網格試件的承載力，考慮到時耗和分析結果的準確性等因素，最終選取5mm寬度網格對試件進行劃分，試件的截面尺寸采用實際尺寸，其它相關材料屬性均與試驗一致。

1.2 有限元模型驗證

將試驗中部分試件的試驗結果與數值模擬所得結果進行對比，結果見表1和圖1。經對比分析可知試驗值與模擬值相差均在4%以內，試件發生的屈曲失效模式基本相同。結果表明有限元分析法能夠有效地分析腹板開孔的高強冷彎薄壁型鋼柱的力學性能。

表1 有限元模擬與試驗承載力對比

圖1 有限元模擬與試驗屈曲失效對比

2 腹板開孔壓彎構件有限元模擬分析

2.1 構件腹板開孔設計

試件開孔位置如圖3所示，R為孔洞半徑；試件的截面尺寸如圖2 所示，當載荷作用在X 正半軸時為正偏壓，反之為負偏壓，載荷作用點與形心的距離為偏心距的大小；試件按如圖4 所示的編號規則進行編號，其中H 為腹板寬度，B 為翼緣寬度，D為卷邊寬度，P為開孔率，即孔洞直徑與腹板寬度的比值，±表示正負偏心。

圖2 試件截面尺寸示意圖

圖3 試件開孔位置示意圖

圖4 試件編號規則示意圖

2.2 孔洞對構件屈曲失效模式及承載力分析

2.2.1 開孔構件與未開孔構件對比分析

為探究孔洞對試件屈曲失效模式及承載力的影響，選取部分試件的模擬結果進行對比分析，見表2。分析可知，開孔試件與未開孔試件的屈曲失效模式基本相同，即在正偏心處發生O-O 或I-I形式的畸變屈曲失穩，在負偏心位置處發生局部屈曲失穩，且兩者都伴有整體屈曲失穩，此外，對于卷邊寬度較大的試件出現只發生局部屈曲失穩的反常現象；未開孔試件的極限承載力大于開孔試件的承載力，但個別開孔試件出現承載力不減反增的反常現象。此外，分析還發現開孔試件與未開孔試件承載力相差不大，試件在受小偏心載荷時，未開孔試件只發生局部屈曲失穩，而開孔試件發生局部-整體相關屈曲失穩。

表2 承載力及屈曲失效模式對比分析

2.2.2 開孔率對構件穩定性能的影響分析

為探究開孔率對構件穩定性能的影響，選取構件截面尺寸為長度600mm、腹板寬度90mm、翼緣寬度40mm、卷邊寬度8mm、厚度1mm。在受正偏心載荷時，通過改變孔洞率的大小，探究孔洞率的變化對構件的承載力、荷載位移曲線以及屈曲失效模式的影響，見圖5-圖7。由圖5 可知，構件在受負偏心載荷時，孔洞率的增加提高了構件承載力；構件在受正偏心載荷時，孔洞率的增加降低了試件承載力。由圖6 可知，構件在受負偏心載荷時，孔洞率的增加使構件的荷載位移曲線上升斜率逐漸增大；構件在受正偏心載荷時，未開孔構件的荷載位移曲線上升斜率大于開孔構件的荷載位移曲線上升斜率，小孔洞率與大孔洞率構件的荷載位移曲線上升斜率基本相同。由圖7 可知，構件在中上部發生I-I 形式的畸變屈曲，在構件中下部發生O-O 形式的畸變屈曲。此外，孔洞率的增加加重了構件發生畸變屈曲失穩的變形程度。

圖5 開孔率對承載力的影響

圖6 開孔率對荷載位移曲線的影響

圖7 開孔率對屈曲失效模式的影響

2.2.3 偏心距對構件穩定性能的影響分析

為探究偏心距對構件穩定性能的影響，所選取的截面尺寸與上節相同，見圖5、圖6和圖8所示。由圖5可知，偏心距的增加降低了構件極限承載力，且相比負偏心處的荷載下降幅度，在正偏心處的荷載下降幅度更大，此外，在正偏心處構件的承載力出現上下波動的現象。由圖6 可知，正負偏心距的增加降低了荷載位移曲線上升斜率，且在正偏心處的荷載位移曲線上升斜率小于在負偏心處的荷載位移曲線上升斜率。由圖8 可知，偏心距的存在改變了構件的屈曲失效模式，當偏心距為+20mm 時，構件發生O-O 形式的畸變屈曲失穩；當偏心距為+10mm 時，構件中上部和中下部分別發生I-I形式和O-O 形式的畸變屈曲失穩；當構件受軸向載荷和負偏心載荷時，構件發生局部屈曲失穩，且變形程度基本相同。

圖8 偏心距對屈曲失效模式的影響

2.2.4 腹板寬度對構件穩定性能的影響分析

為探究腹板寬度對構件穩定性能的影響，選取構件截面尺寸為試件長度600mm、翼緣寬度40mm、卷邊寬度8mm、開孔率0.3、厚度1mm。當試件受偏心距為+10mm 的載荷時，通過改變試件腹板寬度來探究其對試件力學性能的影響，如圖9-圖11所示。由圖9可知，腹板寬度的增加提高了構件極限承載力，且腹板寬度在70～110mm 和110～180mm 時，承載力與腹板寬度近似呈一次線性關系。由圖10 可知，腹板寬度的增加提高了構件荷載位移曲線上升斜率，且腹板寬度為110mm 和130mm 時，曲線上升斜率相差較大。由圖11 可知，腹板寬度的增加改變了構件的屈曲失效模式，且逐漸減小畸變屈曲變形程度。

圖9 腹板寬度對承載力的影響

圖10 腹板寬度對荷載位移曲線的影響

圖11 腹板寬度對屈曲失效模式的影響

2.2.5 翼緣寬度對構件穩定性能的影響分析

為探究翼緣寬度對構件穩定性能的影響，選取截面尺寸為試件長度600mm、腹板寬度90mm、卷邊寬度8mm、開孔率0.3、厚度1mm。當試件在受偏心距為+10mm 的載荷時，通過改變翼緣寬度來探究其對試件力學性能的影響，如圖12-圖14 所示。由圖12可知，當翼緣寬度在20～60mm 時，承載力與翼緣寬度呈正相關；當翼緣寬度在60～100mm 時，承載力與翼緣寬度呈負相關。由圖13 可知，翼緣寬度的增加提高了荷載位移曲線的上升斜率，此外，當翼緣寬度為80mm 時，出現荷載位移曲線上升斜率減小的反常現象。由圖14可知，翼緣寬度的增加改變了試件的屈曲失效模式，當翼緣寬度為20mm 和40mm 時，試件在中上部和中下部分別發生I-I形式和O-O 形式的畸變屈曲失穩；當翼緣寬度為60mm 和80mm 時，在試件中部發生O-O 形式的畸變屈曲失穩；當翼緣寬度為100mm 時，試件兩翼緣發生O-I形式的畸變屈曲失穩。

圖12 翼緣寬度對承載力的影響

圖13 翼緣寬度對荷載位移曲線的影響

圖14 翼緣寬度對屈曲失效模式的影響

2.2.6 卷邊寬度對構件穩定性能的影響分析

為探究卷邊寬度對構件穩定性能的影響，選取截面尺寸為構件長度600mm、腹板寬度90mm、翼緣寬度40mm、開孔率0.6、厚度1mm。當構件受偏心距為+20mm 的載荷時，通過改變卷邊寬度以探究其對構件力學性能的影響，如圖15-圖17 所示。由圖15 可知，卷邊寬度與承載力近似呈一次線性關系，承載力隨卷邊寬度的增加而增大。由圖16 可知，當卷邊寬度在4～14mm時，荷載位移曲線隨卷邊寬度的增加而增大，當卷邊寬度達到14mm 后，卷邊寬度的增加對荷載位移曲線上升斜率影響較小。由圖17 可知，卷邊寬度的增加改變了構件屈曲失效模式，隨卷邊寬度的增加，試件由原來在構件中上部和中下部分別發生I-I形式和O-O 形式的畸變屈曲失穩逐漸轉變為在試件中上部或中下部發生O-O 形式的畸變屈曲，最后轉變為局部屈曲失穩。

圖15 卷邊寬度對承載力的影響

圖16 卷邊寬度對荷載位移曲線的影響

圖17 卷邊寬度對屈曲失效模式的影響

3 結論

本文通過將試驗值與數值模擬值進行對比分析，驗證了有限元分析的有效性，接著通過改變試件的腹板寬度、翼緣寬度、卷邊寬度、開孔率以及偏心距等參數，探究各參數變化對試件的力學性能的影響，得出以下結論。

①孔洞的存在未必能使構件的承載力降低，孔洞率的增大提高了構件荷載位移曲線的上升斜率，增加了構件發生的屈曲變形程度。

②偏心距的存在使構件的承載力降低，偏心距越大，承載力降低程度就越大。此外，相比于負偏心處的承載力下降幅度，正偏心處的下降幅度更快，承載力在正偏心處出現上下浮動的反常現象。

③腹板寬度與承載力呈正相關，腹板寬度的增加提高了荷載位移曲線上升斜率，減小了試件發生的屈曲變形程度。

④翼緣寬度在開始增加時與試件承載力呈正相關，當達到一定值時，翼緣寬度的增加與承載力呈負相關。翼緣寬度的增加提高了試件荷載位移曲線上升斜率，改變了試件發生屈曲變形的模式。

⑤卷邊寬度在開始增加時與承載力近似呈一次線性關系，卷邊寬度的增加提高了荷載位移曲線上升斜率，但卷邊寬度達到一定值時，對曲線上升斜率的影響較小。