腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件抗彎承載力研究

徐鋒鋒　趙金友

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱　150040)

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腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件抗彎承載力研究

徐鋒鋒趙金友

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040)

為了研究腹板開孔對冷彎薄壁C型鋼抗彎承載力的影響，選取不同孔洞尺寸和不同孔洞數目的冷彎薄壁C型鋼受彎構件進行了有限元分析，結果表明：當此類構件發生畸變屈曲失穩模式時，構件抗彎承載力隨孔洞高度的增加呈現降低的趨勢，但隨孔洞數目的增加變化不大。

冷彎薄壁C型鋼，抗彎承載力，有限元分析，腹板開孔

0　引言

腹板開孔冷彎薄壁型鋼具有為結構的側向支撐及電路系統和管道設施安裝提供方便等特點，已在建筑中得到廣泛應用[1]。腹板開孔使構件的截面形式發生變化，但孔洞數目和孔洞高度對此類開孔構件受彎承載力的研究鮮有文獻報道。綜上所述：本文通過對開孔冷彎薄壁C型鋼受彎構件進行非線性有限元分析，探究純彎狀態下孔洞數目和孔洞高度對此類構件抗彎承載力的影響規律。

1　構件設計及有限元建模

1.1構件截面形式與材料屬性

構件的截面形式如圖1所示。試件長度3 720 mm，研究區段長度L=1 200 mm，選取腹板高度H=200 mm，翼緣寬度B=80 mm，板件選取三種厚度t=2.0 mm，2.5 mm和3.0 mm。翼緣寬度B=80 mm，選取卷邊寬度d=20 mm。孔洞高度h由凈截面和毛截面慣性矩Inet/Ig比值確定，取Inet/Ig=1.0(不開孔)，0.99，0.95，0.90和0.85，卷邊為20 mm對應的孔洞高度為0 mm，38.2 mm，114 mm，142 mm和164 mm。孔洞長度Lh=101.8 mm，其中h=38.2 mm，Lh=101.8 mm的孔洞尺寸為參考工業標準化開孔尺寸[2]。彎曲半徑r=t，鋼板的屈服強度fy=345 MPa，彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3。構件編號規則如圖2所示。

圖1　試件截面形式

圖2　構件編號規則

1.2有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181殼單元對構件進行建模[3]，本次分析模型只進行純彎模擬，設計時取相同試件2個，并將2個試件背靠背通過工字型荷載連接件連接，模擬時在構件連接件的腹板上施加約束，一端約束X,Y和Z三方向的位移，另一端約束X和Y方向的位移，其中X為構件平面外方向，Y為豎直方向，Z為構件長度方向。為避免非研究區段對研究區段的影響，采用鋼板對非研究區段的翼緣進行耦合處理。圖3為開1個工業標準化開孔尺寸孔洞有限元模型圖。

圖3　1孔有限元模型圖

2　有限元分析

有限元分析分為特征值屈曲分析和非線性分析兩個階段。首先進行特征值屈曲分析，在特征值分析的基礎上得到試件可能的屈曲模態，在此基礎上施加初始幾何缺陷進行非線性分析，得出試件的破壞模式和極限承載力。初始幾何缺陷取值依據文獻[4]確定。薄膜殘余應力和彎曲殘余應力對構件具有相反的作用，可近似認為其相互作用抵消，故分析時不考慮其影響。

3　計算結果

表1～表3分別為腹板高200 mm，卷邊20 mm，厚度3.0 mm時腹板開1孔、2孔和3孔對應的抗彎承載力有限元分析結果。從表1～表3中可以看出，隨著孔洞高度的增加，開孔構件抗彎承載力較無開孔構件抗彎承載力的降低幅度呈上升趨勢；當孔洞高度固定時，隨著孔洞個數增加，抗彎承載力較無開孔構件的降低幅度呈下降趨勢，但在開孔高度為38.2 mm，開孔個數為3個時承載力反而呈現出比不開孔構件大的現象。以工業標準化開孔尺寸為例，開1孔時承載力降低幅度為2.90%，開2孔時承載力降低幅度為2.19%，開3孔時承載力降低幅度為-0.38%。

表1　腹板1孔承載力

在同一截面參數下，隨著開孔數目的增加，抗彎承載力降低幅度反而呈下降趨勢，這是由于構件孔洞數目為1時，在研究區段中心位置腹板處的孔洞附近應力較為集中，承載力降低的幅度最大；在構件孔洞數目為2時，腹板處的孔洞附近應力分布較為均衡，抗彎承載力較1孔時降低幅度小；在構件孔洞數目為3時，腹板上孔洞附近應力隨孔洞數目的增多分布更趨于均衡，抗彎承載力較不開孔構件略有上升。圖4～圖6分別為開1孔、2孔和3孔的工業標準化尺寸孔洞時對應的應力云圖。

表2　腹板2孔承載力

表3　腹板3孔承載力

圖4　開1孔構件應力云圖

圖5　開2孔構件應力云圖

圖6　開3孔構件應力云圖

4　結語

通過對腹板開孔冷彎薄壁C型鋼構件在純彎狀態下進行非線性有限元分析，得到以下結論：1)開孔降低了冷彎薄壁型鋼受彎構件的抗彎承載力，隨著孔洞高度的增加，抗彎承載力呈逐漸降低的趨勢。2)在同一截面參數的情況下，隨著開孔數目從1個增加至3個，構件抗彎承載力基本無變化，孔洞個數的變化對抗彎承載力影響不大。3)研究區段中心位置腹板處在構件開1孔時應力較為集中，在構件開2孔和3孔時應力較為均衡。

[1]郭小燕,姚勇,王欣.冷彎薄壁型鋼結構住宅經濟性分析[J].建筑技術,2011(5):455-458.

[2]Moen C D,Schafer B W.Experiments on Cold-Formed Steel Columns with Holes[J].Thin-Walled Structures,2008,46(10):1164-1182.

[3]王宇,王樹,朱波.利用ANSYS Shell181單元分析鋼結構問題[J].山西建筑,2006，32(12):32-34.

[4]王海明.冷彎薄壁型鋼受彎構件穩定性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2009.

Study on bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with web holes

Xu FengfengZhao Jinyou

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the effect of web holes on the bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members, finite element analysis were conducted on cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with the different size and different number of web holes. The results show that the bending strengths of such members decrease with an increase of hole height, but has little change with an increase of hole number when such members display distortional buckling.

cold-formed thin-walled C-section steel, bending strength, finite element analysis, web holes

1009-6825(2016)21-0046-03

2016-05-14

徐鋒鋒(1990- )，男，在讀碩士；趙金友(1977- )，男，副教授

TU311.3

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