殘余應(yīng)力對(duì)雙軸對(duì)稱工字形鋼梁穩(wěn)定承載能力的影響

摘 要：本文以殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，基于非線性有限元理論，通過(guò)變化構(gòu)件腹板，翼緣的殘余應(yīng)力峰值，從荷載-位移曲線、承載力的發(fā)展等方面入手，討論了殘余應(yīng)力對(duì)雙軸對(duì)稱工字型鋼梁穩(wěn)定承載能力的影響。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力；工字型鋼梁；穩(wěn)定承載能力

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力是由于構(gòu)件在生產(chǎn)和制作過(guò)程中產(chǎn)生不均勻變形引起的。由于生產(chǎn)工藝不同，形成的殘余應(yīng)力性質(zhì)也不盡相同。殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低截面抗側(cè)向剛度和構(gòu)件平面內(nèi)整體抗彎剛度，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生整體彎扭屈曲；殘余應(yīng)力的存在也會(huì)使局部板件提早進(jìn)入塑性階段，降低板件抗彎剛度，導(dǎo)致板件過(guò)早發(fā)生局部屈曲。也有可能兩者兼有，影響板件局部與構(gòu)件整體的相關(guān)屈曲性能。

2 計(jì)算模型

為清楚的說(shuō)明殘余應(yīng)力對(duì)工字形鋼梁穩(wěn)定承載能力的影響，本文對(duì)梁兩端的約束作了特殊處理。梁一端約束Ux，Uy，Uz三個(gè)自由度，而另一端約束Uy，Uz兩個(gè)自由度。在考慮局部初始幾何缺陷及非線性的條件下對(duì)構(gòu)件的一端施加軸向荷載。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。材料假定為理想彈塑性體，屈服強(qiáng)度為235MPa，泊松比=0.3。假定構(gòu)件整體初始幾何缺陷為一階屈曲模態(tài)，峰值為0.001的構(gòu)件長(zhǎng)度；忽略局部初始幾何缺陷。構(gòu)件縱向?yàn)閦軸，腹板高度方向?yàn)閥軸，腹板平面外方向?yàn)閤軸，坐標(biāo)系原點(diǎn)定義在梁一端的質(zhì)心。

3 殘余應(yīng)力在ANSYS中的模擬（見(jiàn)圖2）

把殘余應(yīng)力編成初應(yīng)力文件輸入到ANSYS中。所選單元為Shell181，沿厚度方向有5個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)積分點(diǎn)，假設(shè)沿厚度方向殘余應(yīng)力無(wú)變化。初應(yīng)力文件如下：其中6個(gè)值分別代表了單元5個(gè)積分點(diǎn)的應(yīng)力分量。應(yīng)力分量的方向根據(jù)單元坐標(biāo)系來(lái)確定，SY就是代表全局坐標(biāo)系中的殘余縱向應(yīng)力。在模型中，翼緣分為10個(gè)單元，腹板分為25個(gè)單元，沿y方向分為50個(gè)單元。

4 計(jì)算分析

為分析殘余應(yīng)力峰值對(duì)雙軸對(duì)稱工字型鋼梁穩(wěn)定承載能力的影響，取一組構(gòu)件考慮三種殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較分析。構(gòu)件尺寸：翼緣寬度200mm；翼緣厚度12mm；腹板高度500mm；腹板厚度8mm；構(gòu)件長(zhǎng)度4000mm。三種殘余應(yīng)力分布情況見(jiàn)下表。

①荷載-位移曲線：

3個(gè)構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)平面內(nèi)最大位移點(diǎn)全過(guò)程荷載-位移曲線見(jiàn)圖3。綜合以上三條曲線，可以得到以下結(jié)論：1）縱向殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件抗彎剛度的影響較小，殘余應(yīng)力的存在并沒(méi)有顯著降低構(gòu)件側(cè)向剛度。2）殘余應(yīng)力使構(gòu)件提早進(jìn)入塑性階段，降低了變形模量，降低構(gòu)件的屈曲荷載。即構(gòu)件截面的優(yōu)先慣性矩只是截面彈性區(qū)的慣性矩Ie，而構(gòu)件的抗彎剛度將由EI降低至EIe。3）不同殘余應(yīng)力分布對(duì)于軸心受壓構(gòu)件屈曲荷載的影響有很大差異，其中以位于截面外側(cè)且具有很高殘余應(yīng)力峰值的對(duì)屈曲荷載的影響最為顯著。4）殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件強(qiáng)軸與弱軸的影響不同。

②極限承載力

當(dāng)構(gòu)件受到靜荷載作用時(shí)，構(gòu)件截面上由外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力相互疊加，使構(gòu)件出現(xiàn)不均勻應(yīng)力分布，隨著外荷載的不斷增加，高應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服區(qū)而進(jìn)入塑性狀態(tài)。當(dāng)外荷載繼續(xù)增加時(shí)，新增的荷載只能由未達(dá)到屈服點(diǎn)的彈性區(qū)承擔(dān)，隨著外荷載的不斷增加，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直到全截面應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)。這時(shí)，構(gòu)件的承載力N與沒(méi)有殘余應(yīng)力的承載力完全一樣。殘余拉應(yīng)力使殘余拉應(yīng)力區(qū)屈服較晚，殘余壓應(yīng)力使殘余壓應(yīng)力區(qū)屈服較早。

而對(duì)于極限承載力來(lái)說(shuō)，殘余應(yīng)力對(duì)雙軸對(duì)稱工字型鋼梁承載力的削減幅度基本都在20%以內(nèi)。殘余應(yīng)力峰值越大，其承載力與無(wú)殘余應(yīng)力的承載力差值也越大，因此承載力對(duì)殘余應(yīng)力很敏感，殘余應(yīng)力會(huì)降低構(gòu)件的承載力。

5 結(jié)論

本文對(duì)雙軸對(duì)稱工字型鋼梁構(gòu)件中的殘余應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行了分析、研究，得出如下結(jié)論：

5.1 由于殘余應(yīng)力？滓rc的存在降低了軸壓桿的穩(wěn)定承載力；遠(yuǎn)離主軸的截面邊緣出現(xiàn)最大殘余壓應(yīng)力 時(shí)對(duì)桿件臨界力的影響最大，最不利；殘余壓應(yīng)力？滓rc的存在對(duì)桿件繞不同軸方向屈曲的影響程度不同。對(duì)弱軸的影響比對(duì)強(qiáng)軸的影響要大。

5.2 殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件極限狀態(tài)時(shí)的局部屈曲模式的影響較顯著，對(duì)局部屈曲的變形幅值有較大的影響。殘余應(yīng)力的存在促進(jìn)了構(gòu)件局部屈曲的發(fā)展，從而影響了構(gòu)件屈曲性能。

參考文獻(xiàn)

[1]陳驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)（第四版）.北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]張緒濤，趙永生，湯美安.殘余應(yīng)力對(duì)等截面H型鋼梁屈曲性能的影響研究.鋼結(jié)構(gòu)，2008，23：40-44.

[3]董達(dá)善，梅瀟.焊接殘余應(yīng)力及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，31（5A）：72-74.

[4]李耕儉.對(duì)鋼構(gòu)件中殘余應(yīng)力的探討[M].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19：63-65.

[5]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.科學(xué)出版社[J]背景，1998.