加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構件有限元分析★

王全邦 趙金友 董俊巧

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構件有限元分析★

王全邦 趙金友 董俊巧

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究卷邊形式對加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構件抗彎承載力的影響，在純彎和非純彎狀態下，對(短、長)直卷邊和(短、長)斜卷邊加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構件進行了有限元分析，分析結果表明：卷邊形式是影響構件抗彎承載力的重要因素，構件在非純彎狀態下的抗彎承載力均高于純彎狀態下的抗彎承載力。

冷彎薄壁型鋼，卷邊形式，加勁，抗彎承載力

0 引言

由于冷彎薄壁型鋼具有強度高、板件薄、延性好、截面形式靈活多樣、不損壞涂層以及可以大規模生產等優點，冷彎薄壁型鋼Z形和C形截面被廣泛應用于低層住宅結構、中等跨度門式剛架和建筑物圍護結構當中[1，2]。目前，許多學者對冷彎薄壁型鋼的研究主要集中在C形截面[3-5]，對Z形截面的研究還比較少。隨著鋼材強度不斷提高，冷彎薄壁型鋼板件變得越來越薄，為了防止板件在受力時發生局部屈曲，可通過在冷彎薄壁型鋼構件腹板和翼緣中間設置V形加勁肋來提高構件的局部穩定性。此外，卷邊是冷彎薄壁型鋼Z形截面的重要組成部分，不同卷邊形式下構件的承載力也不盡相同，因此，對不同卷邊形式冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構件的研究也十分有必要。為了研究卷邊形式對加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面受彎構件抗彎承載力的影響，本文采用有限元軟件ANSYS對不同卷邊形式加勁冷彎薄壁Z形截面受彎構件進行了有限元分析，為加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構件在實際工程中的應用提供參考。

1 有限元建模

1.1 單元選取

利用有限元程序ANSYS12.0中的Shell181殼單元對加勁冷彎薄壁型鋼Z形截面構件進行模擬。模擬中支座為簡支支座，一端為固定鉸支座，約束X,Y,Z三個方向的位移；另一端為可動鉸支座，約束X和Y兩個方向的位移，其中X,Y,Z分別為構件的平面外方向、豎直方向和構件的長度方向。材料的應力—應變關系采用雙折線模型，強化段斜率為2%E。

1.2 幾何屬性和材料屬性

構件選用Q345級冷彎薄壁型鋼，屈服強度fy=345 MPa，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。構件截面形式及幾何參數定義如圖1所示，試驗采用的板件名義厚度t=2.5 mm，所有構件的腹板高度H=160 mm，翼緣寬度B=80 mm，構件選取直卷邊和斜卷邊兩種卷邊形式，每種卷邊形式對應10 mm和30 mm兩種卷邊寬度。斜卷邊構件的卷邊與翼緣成45°夾角。翼緣和腹板中間V形加勁肋的夾角均為90°，加勁肋的名義寬度Sc=20 mm，名義高度為Sf=10 mm。

1.3 加載方式

純彎試驗采用三分點加載，如圖2a)所示，取中間長度為900 mm的純彎區段作為試驗的研究區段，并且采用螺栓將兩側非純彎段的上翼緣與蓋板相連，避免了兩側非純彎段對研究區段的影響。非純彎試驗采用跨中集中加載，如圖2b)所示，取支座與跨中之間900 mm的非純彎區段作為試驗的研究區段。同樣，通過螺栓將另一側非純彎段的上翼緣與蓋板相連。

2 有限元分析

2.1 有限元分析過程

有限元分析分為兩個階段：第一階段是為了提取在彈性條件下構件可能發生的屈曲模態而進行的特征值屈曲分析；第二階段是在第一階段的基礎上施加初始缺陷，同時考慮幾何非線性和材料非線性而進行的非線性分析。通過非線性分析得到了構件的破壞模式和抗彎承載力。根據文獻[6]，取局部初始缺陷0.1t，畸變初始缺陷為1.0t(t為板件厚度)。根據文獻[7]的研究，殘余應力和材料屈服強度提高對破壞模式和抗彎承載力影響不大，非線性分析時可不考慮。

2.2 有限元分析結果

2.2.1 破壞模式

純彎狀態下構件的破壞模式如圖3所示。從圖3中可見，4種截面形式構件的屈曲模式均為畸變屈曲，構件的破壞主要發生在研究區段的受壓翼緣上，兩個背靠背連接構件的破壞模式基本一致，且兩構件的變形呈反對稱狀態。

非純彎狀態下構件的破壞模式如圖4所示。從圖4中可見，4種截面形式構件均發生了畸變屈曲，構件的破壞主要發生在加載點附近；長卷邊構件的變形幅度比短卷邊構件的變形幅度小，這是由于長卷邊對構件翼緣的約束作用比短卷邊大。

2.2.2 抗彎承載力

兩種受彎狀態下構件抗彎承載力和破壞模式結果列于表1中。從表1中可以看出，構件在非純彎狀態下的抗彎承載力高于純彎狀態下的。

表1 構件抗彎承載力和破壞模式結果

當構件卷邊寬度發生變化時，構件的抗彎承載力也有很大的差異。純彎狀態下長直卷邊構件的抗彎承載力比短直卷邊構件的高出16.40%，長斜卷邊比短斜卷邊高出15.70%。非純彎狀態下這兩項數據分別為17.76%和12.19%。由此可見，隨著卷邊寬度的增加，直卷邊構件抗彎承載力的提高幅度大于斜卷邊構件的。

3 結語

1)加勁冷彎薄壁Z型鋼受彎構件在非純彎狀態下的抗彎承載力高于純彎狀態下的。2)在純彎與非純彎狀態下，長卷邊的抗彎承載力大于短卷邊的；隨著卷邊寬度的增加，直卷邊構件抗彎承載力的提高幅度大于斜卷邊構件的。3)短直卷邊構件的抗彎承載力略低于短斜卷邊構件的；長直卷邊構件的抗彎承載力則高于長斜卷邊構件的。

[1] 李清揚,王建超,劉遠鵬,等.冷彎薄壁加勁C型鋼構件畸變性能有限元分析[J].建筑科學,2013(9):17-20.

[2] 鐘國輝.冷彎薄壁型鋼在房屋建筑中的研究與發展[J].建筑鋼結構進展,2002(4):31-38.

[3] 王海明,張耀春.冷彎型鋼C形截面受彎構件平面內穩定性能研究[J].建筑結構,2009(4):87-91.

[4] 馮 巍,趙金友,王 鈞,等.帶加勁冷彎薄壁型鋼C形受彎構件有限元分析[J].山西建筑,2014，40(24):37-39.

[5] 董俊巧,趙金友,李成亮,等.加勁冷彎薄壁型鋼受彎構件屈曲分析[J].低溫建筑技術,2014(7):86-87,95.

[6] 趙金友,董俊巧,王 鈞,等.不同截面形式高強冷彎薄壁槽鋼構件受彎承載力試驗研究[J].建筑結構學報,2015(5):18-26.

[7] N.Abdel-Rahman,K.S.Sivakumarran.Material properties models for analysis of cold-formed steel members[J].Journal of Structural Engineering,1997,123(9):1135-1143.

The finite element analysis on bending members with Z-shaped of stiffened cold-formed thin walled steel★

Wang Quanbang Zhao Jinyou Dong Junqiao

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the form of bead stiffened cold-formed steel Z-shaped cross-section flexural capacity of the affected members bending, in pure bending and non-pure bending, for (short and long) straight bead and (short and long) crimping oblique stiffening cold-formed steel Z-shaped cross member of the finite element analysis. The results showed that, crimping form is a key factor for flexural capacity of members, flexural capacity of a non-member state of pure bending higher than under pure bending state.

cold formed thin walled steel， roll shape， stiffening rib， flexural bearing capacity

2015-06-07

★：黑龍江省自然科學基金項目(項目編號：E2015056)；中央高校基本科研業務費專項基金項目(項目編號：DL11CB08)

王全邦(1991- )，男，在讀碩士； 趙金友(1977- )，男，副教授； 董俊巧(1989- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)23-0027-02

TU312

A