冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱偏心受壓有限元分析

張秀華　曾紫嫣

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱　150040)

隨著國家關于“節能環保、綠色建筑”理念的推廣，近年來在鋼結構領域關于鋼組合結構的研究逐漸開展起來。國內科研人員提出了一種新型環保結構——鋼—竹組合結構。這種結構以冷彎薄壁型鋼和竹材人造板為主要材料，采用結構膠及自攻螺釘進行連接，可充分發揮鋼材的輕質高強與竹材的低碳環保兩種材料的優勢，同時利用兩種材料協同工作效應，有效緩解鋼結構穩定性差而竹材經濟性低的問題。隨著研究的開展，目前國內外對鋼—竹組合結構的研究成果正日趨完善：寧波大學課題組對冷彎薄壁型鋼—竹膠板組合結構進行了重點研究，包括冷彎薄壁型鋼—竹膠板組合梁的抗彎及抗剪性能、組合樓板的抗彎及抗震性能、組合柱的軸心及偏心受壓性能、梁—柱節點的受力性能以及組合墻體抗震性能的研究，得到了以上構件的破壞特征及承載力公式[1-8]。同時，東北林業大學課題組對重組竹材料進行了力學性能測試，證明重組竹可以良好地應用于鋼組合結構中；并對冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱進行了軸心受壓試驗，得到其破壞形態并推導出承載力公式[9,10]。

ANSYS軟件就是有限單元法作為理論基礎的一款大型通用有限元軟件。使用ANSYS軟件，選取合理的材料本構關系，建立有限元數值模型，能夠方便地修改影響因素，在很大程度上節約了試驗成本，避免重復試驗。本文基于ANSYS建立冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的三維模型，模擬了在偏心受壓情況下，冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的變形和破壞情況，并分析了組合柱在偏壓過程中的鋼與竹內部的應力、應變及組合柱的軸向變形等。

1　有限元分析模型

1.1　材料本構關系

應力應變關系是反映力學性能的物理關系，能夠很好地描述構件在受力過程中材料力和變形的關系，是材料微觀機理的宏觀表現，在結構強度和變形計算中占有重要地位。要對冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱進行偏心受壓下的數值分析，必須先確定重組竹板、薄壁方形管和結構膠的應力應變關系模型。

重組竹為各向異性材料，其真實本構關系十分復雜。因此在進行冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱偏心受壓力學性能彈性分析及屈曲分析時，將重組竹板視為各項同性材料。影響構件承載力主要是由屈曲和粘結劑開裂引起，重組竹板并未達到極限狀態，因此在開裂分析中，可以認為重組竹板在平面內的水平向和豎向為各向同性材料。在整個受力過程中，該平面內重組竹板處于彈性階段，即為理想彈性材料。

冷彎薄壁型鋼采用Q235鋼，為低碳軟鋼。兩種材料參數如表1所示，鋼材和重組竹簡化的本構模型關系如圖1所示。

表1　材料參數

1.2　建立分析模型

采用有限元軟件ANSYS15.0建立組合柱試件的有限元模型。根據試驗試件建立冷彎薄壁型鋼—重組竹組合柱的整體三維模型。分別對單塊重組竹板、冷彎薄壁型鋼一側鋼板進行建模，通過組裝形成整體試件，并復形制成箱型截面，以試件Z2為例，有限元模型如圖2所示，網格劃分如圖3所示。

對冷彎薄壁型鋼采用Shell181單元，重組竹板采用Solid95單元進行建模，并利用Conta175設置面與面的接觸關系；自攻螺釘在組合柱中起固定和連接薄壁型鋼與重組竹的作用，螺紋的應力應變狀態可不作考慮，因此可以不對螺紋精確建模，僅在螺釘和螺孔內表面建立綁定約束來模擬其工作狀態。

對于邊界條件的處理，首先分別在組裝部件上下截面形心處建立參考點，并通過耦合解除關系保證柱上下截面與參考點變形協調，底部參考點約束U1,U2,U3三個方向的自由度，模擬鉸接制作。在頂部參考點上逐級增加均布荷載，以模擬荷載施加情況。

2　有限元分析結果

2.1　各材料應力云圖

在試驗加載過程中，認為組合柱位移變形迅速增長或局部破壞較嚴重時達到極限狀態。在分析中，當控制點反力達到組合柱極限強度時各材料的應力分布云圖，如圖4所示。

由圖4可知，冷彎薄壁型鋼的應力遠大于重組竹所受應力，由于鋼彈性模量1.98×105MPa與重組竹彈性模量1.06×104MPa相差過大，故在二者豎向位移相同情況下，冷彎薄壁型鋼的應力遠大于重組竹。

2.2　長細比和偏心距的影響

調整組合柱的長度為900 mm,1 500 mm,1 800 mm,2 100 mm,2 400 mm,2 700 mm六種類型，每種長度的組合柱分別測試其在偏心距為0 mm,20 mm,40 mm下的極限承載力結果,如表2所示。

表2　有限元模擬結果

可以得出如下結論：1)無論偏心還是偏心受壓構件，承載力隨長細比的增加而降低，而偏心受壓構件的彎矩—壓力二階效應隨長細比的增加越發明顯。2)隨著試件長度的增加，每一級長細比的增加雖然會降低試件的極限承載力，但其影響效果在長細比λ<44.77的短柱階段并不顯著。試件的長細比λ>44.77時，長細比的影響才比較明顯。3)對比同一長細比下的不同偏心距的三個試件，可以看出：對于軸心受壓柱，長細比從λ=22.39增加到λ=67.16時，極限承載力降低了26.1%；對于偏心距20 mm的受壓柱，長細比從λ=22.39增加到λ=67.16時，極限承載力降低了35.9%；對于偏心距40 mm的受壓柱，長細比從λ=22.39增加到λ=67.16時，極限承載力降低了39.9%。顯而易見，偏心距對試件承載力相較于長細比有著非常巨大的影響。4)當長細比λ>67.16時，試件已屬長柱范圍，具有較高的柔度。此時即使偏心距只有20 mm，也會使試件的承載力降低40%左右。可見對于長柱而言，偏心距對承載力的影響更加顯著。

3　結語

冷彎薄壁型鋼—重組竹組合結構是一種新型結構形式，本文通過有限元軟件ANSYS建立模型來研究不同柱高和偏心率對試件極限承載力的影響，得到以下結論：1)破壞時承受應力最大的材料為膠層，其次是冷彎薄壁型鋼，最后是重組竹。因此，膠層可以看做本組合構件的薄弱環節，在實際應用中應盡量保證膠層的強度。2)偏心距和長細比對承載力都有著非常重大的影響。特別是對于長柱而言，偏心距的影響更為顯著。在實際工程中應采取一定措施減小柱的計算長度以提高穩定性。同時還應避免偏心的產生。3)有限元方法中設定的條件較實際工程理想化，故有限元方法得到的模擬結果較實際應偏大。如果要以有限元方法計算冷彎薄壁型鋼偏心受壓柱的承載力，應對結果進行一定的折減考慮。

參考文獻:

隨著國家和山東省地下水監測工程的實施，山東省地下水長期監測點密度達到了0.98個/100km2，站網布局得到有效優化完善，監測范圍覆蓋全省17個市、涵蓋3大水文地質區(表1)和14個亞區，控制面積達15萬km2，加強了對地下水超采漏斗區、地面沉降中—強發育區、巖溶塌陷易發區、大中型水源地等重點地區的監測能力，基本實現了“區域控制和重點監測相結合”監測目的，地下水監測能力得到有效提升。全省17市地下水監測點分布見圖2，國家和山東省地下水監測工程實施前后監測站網布局情況見圖3和圖4。