基于ABAQUS的純彎狀態(tài)下六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁整體穩(wěn)定性對(duì)比分析

王 旭，董事?tīng)枺瑴厍锲?/p>

(西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都610500)

蜂窩梁是在H型鋼或者工字鋼腹板按照規(guī)定的折線或者圓弧線切割后錯(cuò)位焊接而成的腹板具有孔洞的梁。蜂窩梁腹板開(kāi)設(shè)孔洞，因此可以節(jié)約25%～30%的鋼材，減輕鋼結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約17%～33%的運(yùn)輸、安裝和油漆的費(fèi)用，在實(shí)際工程中有諸多的經(jīng)濟(jì)效果[1]；蜂窩梁在原來(lái)截面的基礎(chǔ)上增高了，截面慣性矩因此而增加，因此增加了鋼梁的承載力[2]；蜂窩梁可以根據(jù)需要開(kāi)設(shè)不同形狀的孔洞，美觀、通風(fēng)、透光而且增加結(jié)構(gòu)凈空高；鑒于蜂窩梁諸多優(yōu)點(diǎn)的，在實(shí)際工程中蜂窩梁具有很大的實(shí)用價(jià)值，被廣泛運(yùn)用到實(shí)際工程中。

本文利用有限元分析方法分別對(duì)六邊形孔懸臂蜂窩梁及圓形孔蜂窩梁整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析了六邊形孔及圓形孔不同孔況下臨界彎矩，并作圖分析，為實(shí)際工程提出建議。

1 有限元分析模型

本文選取兩種不同的截面尺寸及3種不同跨度的懸臂蜂窩梁進(jìn)行有限元整體穩(wěn)定性分析，蜂窩梁的幾何參數(shù)如圖1所示。對(duì)于蜂窩梁的整體穩(wěn)定性分析時(shí)，蜂窩梁的剛度由于腹板開(kāi)孔而削弱而受到影響，主要是蜂窩梁的開(kāi)孔高度d與梁總高h(yuǎn)之比及開(kāi)孔間距s與梁總高h(yuǎn)之比的影響。考慮開(kāi)孔對(duì)蜂窩梁整體穩(wěn)定性影響主要是考慮開(kāi)孔高度計(jì)開(kāi)孔間距對(duì)蜂窩梁臨界彎矩的影響，本文假定開(kāi)孔高度d與開(kāi)孔間距h之和為蜂窩梁總高，即d+s=h，有限元模型的截面尺寸及跨度如表1所示。

圖1 蜂窩梁的幾何尺寸

構(gòu)件編號(hào)構(gòu)件規(guī)格計(jì)算跨度 l/m1400×200×8×134.82400×200×8×1363400×200×8×13124600×200×11×174.85600×200×11×1766600×200×11×1712

利用通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，三維SHELL建模，采用三角形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。分析時(shí)假定構(gòu)件本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，本文采用Q235鋼，鋼材的彈性模量E=2.06×105kN/mm2，泊松比ν=0.3，根據(jù)力學(xué)知識(shí)可以得到G=7.932×104kN/mm2。

圖2 有限元模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 有限元計(jì)算模型臨界彎矩計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元計(jì)算，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形如圖3所示，蜂窩梁ABAQUS臨界彎矩計(jì)算值見(jiàn)表2。

圖3 六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形

kN·m

從圖3六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形圖可以看出蜂窩梁發(fā)生彎扭屈曲時(shí)懸臂端發(fā)生側(cè)向位移并伴隨扭轉(zhuǎn)，這種失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)腹式懸臂梁發(fā)生彎扭屈曲失穩(wěn)形態(tài)相吻合，因此懸臂蜂窩梁的整體穩(wěn)定性可以借鑒實(shí)腹式懸臂梁整體穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行分析。

從表2中可以看出，在相同構(gòu)件截面尺寸的情況下，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩隨著s/h的增大而減小，也就是隨著蜂窩梁開(kāi)設(shè)孔洞的減小，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩而增大；蜂窩梁腹板開(kāi)設(shè)孔洞越大，對(duì)蜂窩梁腹板剛度削弱相應(yīng)增大，對(duì)蜂窩梁的整體穩(wěn)定性影響就越大；在相同構(gòu)件截面尺寸、相同跨度、相同孔洞參數(shù)情況下，六邊形孔蜂窩梁與圓形孔蜂窩梁的臨界彎矩值相差不到1%，兩者基本相近，從某種角度上說(shuō)蜂窩梁的整體穩(wěn)定性與開(kāi)設(shè)孔洞的形狀關(guān)系不大。

2.2 有限元計(jì)算模型臨界彎矩計(jì)算結(jié)果作圖

對(duì)表2六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態(tài)下ABAQUS臨界彎矩值進(jìn)行作圖，如圖4 ～ 圖6所示。

圖4 構(gòu)件1、構(gòu)件2六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態(tài)下ABAQUS臨界彎矩值對(duì)比

圖5 構(gòu)件3、構(gòu)件4六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態(tài)下ABAQUS臨界彎矩值對(duì)比

圖6 構(gòu)件5、構(gòu)件6六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態(tài)下ABAQUS臨界彎矩值對(duì)比

2.3 有限元計(jì)算模型臨界彎矩計(jì)算結(jié)果比較分析

從圖4～ 圖6可以看出，當(dāng)s/h<0.5時(shí)，六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值大于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值，s/h趨近于0.5時(shí)，兩者臨界彎矩值趨近于相等，s/h>0.5時(shí)，六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值小于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值，s/h趨近于0.7時(shí)，兩者臨界彎矩值又趨近于相等。

這是因?yàn)楫?dāng)s/h<0.5時(shí)，蜂窩梁整體穩(wěn)定性受腹板剛 算結(jié)果影響不大且偏安全。因此工程中在進(jìn)行門(mén)架式雙排抗滑樁的計(jì)算時(shí)，筆者認(rèn)為可以忽略滑動(dòng)面以上的土體對(duì)前后排樁的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，以及門(mén)架式雙排抗滑樁理論研究的不斷完善，該結(jié)構(gòu)型式已在公路滑坡治理中得到了廣泛應(yīng)用。由于該結(jié)構(gòu)型式優(yōu)點(diǎn)比較突出，特別是在處理大型滑坡或樁頂水平位移有嚴(yán)格要求的工程中，具有普通抗滑樁無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，隨著該結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用的不斷推廣，合理的確定其結(jié)構(gòu)尺寸，不僅節(jié)約工程投資，而且也利于該結(jié)構(gòu)在工程中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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