翼緣加勁的復雜卷邊C形構件局部穩定性研究

【中圖分類號】：TU392.1 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-63-04

【DOI編碼】:10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.015

Research on Local Stability of Complex Lipped C-section Members with Flange Stiffeners

FAN Dongchao

(Xinzhida Consulting Group Co.Ltd.，Wuhan 430o90，China）

【Abstract】:The finite element software ABAQUS wasused tosimulate cold-formed thin-walled C-section members with complex lips and complex lipped members with flange stiffners under pure bending.The failure modes and flexural bearing capacities of these members under pure bending were simulated.The relationships between the failure modes，flexural bearing capacities and cross-sectional geometric parameters were analyzed，and theinfluence laws of cross-sectional parameters on thefailure modesand flexural bearing capacities of the members were obtained.Byanalyzing the flexural bearing capacities of themembersbeforeand after stiening，the effect of stiffeners on improving the bearing capacity of the members was determined.

【Keywords】:distortionalbuckling;flangestfening;complexlipping;cold-formedthin-walledC-sectionmember;flexural bearing capacity;failure mode

冷彎薄壁構件板件厚度較小、構件寬厚比較大，且大部分為開口截面，因此在受到壓應力時更容易屈曲失穩；特別是隨著冷彎薄壁型鋼構件的強度越來越高、板厚越來越小、截面形式越來越復雜，穩定性問題在冷彎薄壁型鋼中顯得尤為重要[2-4]。新型冷彎薄壁構件通常是對傳統薄壁型鋼構件增加卷邊或對腹板和翼緣進行加勁處理形成的，傳統卷邊薄壁型鋼構件穩定性較差，但通過在翼緣部分進行二次彎折形成的復雜卷邊構件，其二次卷邊結構擁有更優秀的力學性能，為翼緣提供了更有效的支撐，從而增強了構件的穩定性\\~;另一種方式是在冷彎薄壁構件上增加加勁肋，這些加勁肋通常設置在翼緣和腹板部位，以降低板件的寬厚比，進而提升構件的承載力，目前常見的加勁肋形狀包括V形、帽形、圓弧形等；另外在構件的翼緣和腹板部分開設一定數量的孔洞，也是一種改善結構性能的設計方法[8

在結構工程中，無論是受壓構件還是受彎構件，常見的3種基本屈曲模式包括整體屈曲、局部屈曲和畸變屈曲。整體屈曲和局部屈曲是較為人們熟知的屈曲類型，相關研究成果豐富，各國規范也提供了相應的設計方法和計算公式；相比之下，畸變屈曲的研究起步較晚，人們對其理解不如前兩者深人。畸變屈曲通常涉及到構件在非預期方向上的變形，這種變形可能導致結構在未達到預期承載力時即發生失穩；因此對于復雜截面的構件，畸變屈曲的控制和分析成為了一個重要的研究領域9-。隨著截面形式的日益復雜化，畸變屈曲的失穩模式和屈曲應力變得更為復雜和不確定，給工程設計和穩定性分析提出了新的挑戰。本文通過有限元軟件ABAQUS模擬冷彎薄壁C形復雜卷邊構件及翼緣加勁的復雜卷邊構件在純彎作用下的破壞模式和抗彎承載力，得出截面參數對構件破壞模式及抗彎承載力的影響規律。

1有限元模擬

1.1截面設計及參數選取

冷彎薄壁C形構件截面幾何參數主要包括腹板高度 H 翼緣寬度 B 、第一次卷邊寬度 d 、第二次卷邊寬度 a 、板厚 Ψ_t 加勁高度 S_p 。見圖1。

腹板高度 H 為 180，200，220，240mm 。當翼緣寬度 B 為 70，75，80，90mm 時，取加勁高度 S_p 為7.5、10、12.5mm ；當翼緣寬度 B 為 100mm 時，取加勁高度 S_p 為10，12.5，15mm ；當翼緣寬度 B 為 110mm 時，取加勁高度S_p 為 12.5，15，17.5mm 。構件的第一次卷邊寬度 d 取為30mm ，第二次卷邊寬度 Ψ_a 取為 20mm 。板件厚度 Φ_t 為

1.2有限元模型的建立

根據文獻[12]中的純彎構件試驗模型進行建立有限元模型。鋼材類型為Q345B，屈服強度 f_y 為345MPa ，抗拉強度 f_u 為 551MPa ，彈性模量 E 為2.03×10⁵MPa ，泊松比 σ_v 為0.3，構件材料在進行非線性分析時采用的是米澤斯屈服準則和等向強化準則，選用的應力-應變曲線模型與文獻[13]一致，為雙折線模型，強化段的斜率為彈性模量 E 的 2% 。局部屈曲初始缺陷 Δ_l^max 取0.1，畸變屈曲初始缺陷 Δ_d^max 取1.6。見圖2。

1.3有限元模型的驗證

選取文獻[12]試驗中的構件L_CH200B80d30a20為驗證模型，對應本文構件編號為 L2520H200B80S_?D0 d30a20t3 。二者破壞模式基本相同，極限荷載與抗彎承載力的誤差非常小，荷載-跨中豎向位移曲線也非常相近，有限元分析結果和試驗結果相差很小，從而證明本文有限元模擬結果的準確性。見圖3。

2有限元結果分析

2.1翼緣加勁的復雜卷邊構件

在純彎曲作用下，翼緣加勁的復雜卷邊構件的屈曲行為主要表現為局部屈曲和畸變屈曲的復合形式。在局部屈曲方面，變形主要局限于腹板和翼緣區域，呈現出向內凹陷和向外凸出的特征；但與普通卷邊和普通復雜卷邊構件相比，翼緣加勁構件的局部屈曲變形顯著減輕，尤其是在翼緣部分，其屈曲變形微乎其微，表明加勁肋的引入極大地提升了翼緣的穩定性。此外，這些構件在翼緣部分幾乎未出現應力集中的現象，說明加勁肋不僅有效分散了應力，還避免了潛在的應力集中風險。總體而言，翼緣加勁設計在提升復雜卷邊構件整體穩定性和承載能力方面起到了關鍵作用。見圖4和圖5。

從在腹板處發生的局部屈曲變形可以看出，其內凹外凸的變形較為明顯，與普通卷邊構件及普通復雜卷邊構件腹板上所發生的局部屈曲變形程度相差不大，僅在腹板某些區域的變形程度要略微小一些。另外構件的卷邊和二次卷邊部分幾乎不發生明顯的局部屈曲變形。同普通卷邊構件及普通復雜卷邊構件一樣，翼緣加勁的復雜卷邊構件主要發生的是局部屈曲，但依然有畸變屈曲現象的出現，最終呈現出局部屈曲和畸變屈曲的相關屈曲。在設置了V形加勁肋之后，翼緣部分的寬厚比減小，加勁肋本身也具有較高的抗彎剛度，2方面因素共同作用，使得翼緣處的臨界局部屈曲應力有了顯著的提升。因此，翼緣加勁的復雜卷邊構件在翼緣部分并未出現較大幅度的局部屈曲變形，表明翼緣加勁設計有效地提高了構件的局部屈曲穩定性。

加勁肋的高度和板件的厚度均對翼緣加勁的復雜卷邊構件抗彎承載力 M₂ 有正向的提升作用。在影響抗彎承載力 M₂ 的眾多因素中，板件厚度是最為關鍵的因素，隨著板件厚度 χ_t 的增加， M₂ 呈線性增長趨勢，且增長幅度較大。例如，構件 L2520H180B80S_D7.5d30a

20t1.5的抗彎承載力為 11.86kN?m ，而當板件厚度從1.5mm 增加到 2.0mm 時，構件 L2520H180B80S_D7.5d 30a20t2 的抗彎承載力提升至 17.69kN?m 。盡管增加加勁肋的高度也能夠提升抗彎承載力，但相對于板件厚度的增加，加勁肋高度的提升對抗彎承載力的貢獻較小。例如，構件 L2520H220B90S_D10d30a20t2 的抗彎承載力為 18.26kN?m ，當加勁肋高度從 10mm 提升至12.5mm 時，構件 L2520H220B90S_p12.5d30a20t2 的抗彎承載力僅提高至 18.71kN?m 。見圖6。

2.2加勁構件與非加勁構件的對比

設置翼緣加勁肋后，構件的抗彎承載力有了較大的提升，例如構件 L2520H240B110S_D0d30a20t2 的抗彎承載力為 18.96kN?m ，構件 L2520H240B110S_D15 d30a20t2 的抗彎承載力為 27.89kN?m ，在設置了 15mm 的加勁肋后，構件的抗彎承載力提升了 8.93kN?m 。除個別構件外，抗彎承載力增長率隨加勁肋高度的增加而增大，但隨著加勁肋高度的增加，抗彎承載力增長率增長幅度變小，這是由于加勁肋部分的剛度有限，在未達到充分加勁條件時，抗彎承載力會有較大幅度的增長，而當構件達到充分加勁的情況時，增加加勁肋高度對抗彎承載力的提升就非常有限了。見表1和圖7。

增設翼緣加勁肋有效增加了構件的抗彎承載力。隨著加勁肋高度的增加，抗彎承載力增加，但這種增長趨勢逐漸減緩，因為當構件達到充分加勁狀態后，加勁肋高度的進一步增加對承載力的提升效果變得有限。

3結論

1)翼緣加勁的復雜卷邊構件主要發生局部屈曲，但依然有畸變屈曲，最終呈現出局部屈曲和畸變屈曲的相關屈曲。

2)加勁肋高度和板件厚度均能提高構件的抗彎承載力，其中板件厚度是主要影響因素，其增長對抗彎承載力的提升更為顯著。相比之下，增加加勁肋高度雖然也能增加承載力，但對于大多數構件而言，提升幅度較小。

3)設置翼緣加勁肋后，構件的抗彎承載力明顯提高，并隨著加勁肋高度的增加而增加，不過抗彎承載力的增長效果逐漸減弱，這是因為構件在逐步增加加勁肋高度的過程中，逐漸接近并達到了一個充分加勁的穩定狀態。在這個狀態下，即使加勁肋高度進一步增加，對承載力的增強作用也有限。

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