鋼結構開孔板件凈截面抗剪性能研究

項陽 ，張特 ，尹越 ，劉明輝

鋼結構開孔板件凈截面抗剪性能研究

Research on the Net Section Shear Properties of Hole Cross-section Steel Plates

項陽11，張特22，尹越22，劉明輝33

H型鋼受彎構件拼接設計中通常假定剪力由腹板承受，采用高強螺栓進行腹板拼接時，螺栓孔洞將改變腹板凈截面上的剪應力分布，對腹板抗剪性能產生不利影響，本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS，建立開孔受剪板件有限元分析模型，分析了開孔直徑、開孔數量等對開孔板件凈截面上剪應力大小和分布的影響，對螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進行了研究。

受剪板件；孔洞削弱；開孔直徑；開孔數量

1 引言

鋼結構受彎構件采用H型鋼截面時，腹板剪應力分布如圖1所示，剪應力大小可根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003[1]由式（1）計算。

式中：

V——計算截面沿腹板平面作用的剪力

S——計算剪力處以上毛截面對中和軸的面積矩

I——為毛截面慣性矩

tw——腹板厚度

當H型鋼受彎構件在進行拼接設計時，一般采用彎矩由翼緣承擔，剪力由腹板承擔的簡化方法計算。H型鋼受彎構件的拼接節點，通常采用高強螺栓進行腹板拼接，連接安裝方便，但由于螺栓孔洞的存在，將改變腹板凈截面上的剪應力分布，對腹板抗剪性能產生不利影響，孔洞對受剪板件凈截面剪應力的影響在式（1）中未予考慮，對開孔受剪板件的凈截面抗剪性能的相關研究[2]也很少。

本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS[3]，建立開孔受剪板件有限元分析模型，分析了開孔直徑、開孔數量等對開孔板件凈截面上剪應力大小和分布的影響，對螺栓孔削弱板件凈截面抗剪性能進行了研究。

2 開孔受剪板件凈截面剪應力分析

2.1 分析模型

受剪板件尺寸取為550mm×670mm×12mm，如圖2所示，板件左邊設置固端約束，右邊施加均布剪切荷載，總剪力值415.75kN。分兩種情況分析孔洞對受剪板件凈截面上剪應力分布及大小的影響：（1）在板件中心開一個孔洞，孔洞直徑D分別取50、100、150及200mm；（2）沿板中心線開孔，孔洞直徑50mm，孔洞數量n取為1、2、3、4，孔洞布置如表1所示。

采用通用有限元軟件ABAQUS建立開孔受剪板件有限元分析模型，如圖3所示，所有單元均采用板殼單元S4R。

2.2 分析結果

有限元分析得到的無孔洞板件最大剪應力為80.4MPa，與按規范式（1）所得截面最大剪應力77.6MPa基本一致。

表1不同孔洞數量時孔洞布置情況

板件中心開一個孔洞（D=50、100、150及200mm）對板件凈截面上剪應力分布與大小的影響如圖4所示。可以看出，板件中心開孔后，孔邊剪應力較小，但在孔邊附近剪應力急劇增大到最大值，最大剪應力比無孔洞板件最大剪應力有較大幅度增大，孔徑D越大，最大剪應力增幅越大，如圖5所示，孔徑D=200mm時，最大剪應力達到113.7MPa，接近無孔洞板件最大剪應力的1.5倍。另外，開孔板件與不開孔板件比較，最大剪應力增幅明顯，孔洞直徑對最大剪應力的影響相對較小。

沿板件中心線開多個孔洞（n=1、2、3、4）時，板件凈截面上剪應力分布如圖6所示。可以看出，開多個孔洞時，板件凈截面上的剪應力分布大趨勢與無孔洞板件相似，中間大、兩端小，同時，由于孔洞將板件截面分割為若干獨立的小區段，在每個小區段內，剪應力同樣遵循中間大、兩端小的分布規律；由于孔洞的存在，板件凈截面最大剪應力均有一定幅度的增大，但增幅并不僅僅取決于孔洞數量，還與孔洞布置有關。

3 螺栓孔削弱板件抗剪性能分析

受剪板件尺寸見圖2，沿中線設置螺栓孔8個,孔徑26mm,端距55mm，中心距80mm。分螺栓孔內有、無螺栓兩種情況分析板件凈截面上的剪應力。采用ABAQUS建立有限元分析模型時，螺栓簡化為解析剛體。

螺栓孔削弱板件凈截面上的剪應力與無孔洞板件比較如圖7所示。可以看出，螺栓孔削弱板件凈截面上的剪應力分布在整體趨勢及小區段上均遵循中間大、兩端小的規律，最大剪應力值均有所增大；螺栓孔內有螺栓時的最大剪應力比螺栓孔內無螺栓時有所降低，這是由于螺栓的抗剪、承壓傳遞了部分剪力。計算兩種情況板件凈截面上剪力合力可知，通過螺栓傳遞的剪力約為總剪力的25%，靠近中部的螺栓所傳遞的剪力最大，而端部的螺栓傳遞的剪力較小。

4 結論

（1）受剪板件中心開孔，孔邊剪應力較小，但在孔邊附近剪應力急劇增大到最大值，最大剪應力比無孔洞板件最大剪應力有較大幅度增大，孔徑越大，最大剪應力增幅越大；

（2）受剪板件在同一截面開多個孔洞時，板件凈截面上的剪應力分布在整體趨勢及小區段上均遵循中間大、兩端小的規律，最大剪應力值增大幅度與孔洞數量及孔洞布置有關；

（3）由于螺栓通過抗剪、承壓能傳遞部分剪力，螺栓孔內有螺栓時，板件凈截面上的最大剪應力比螺栓孔內無螺栓時有所降低。

[1]GB50017-2003,鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[2]Paik JK.Ultimate strength of perforated steel plates under edge shear loading.Thin-Walled Structures 2007,45:301-306.

[3]ABAQUS,Inc.ABAQUS.Ver6.9.analysis user′s manual,2010.

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A

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2011-07-26；

呂 光