初彎曲對T形閉口截面鋼柱整體穩(wěn)定性的影響

徐利麗

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，浙江 杭州 311231）

建筑結(jié)構(gòu)

初彎曲對T形閉口截面鋼柱整體穩(wěn)定性的影響

徐利麗

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，浙江 杭州 311231）

利用有限元分析，研究初彎曲對T形閉口截面異形鋼柱整體穩(wěn)定性的影響，獲得鋼柱在不同長細(xì)比時的極限荷載值及相應(yīng)的曲線，進(jìn)而可以通過曲線來發(fā)現(xiàn)初彎曲對T形閉口截面異形鋼柱的影響。

T形閉口截面；整體穩(wěn)定性；初彎曲

對比混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)有著強度高、質(zhì)量輕、施工速度快等優(yōu)點，因此目前鋼結(jié)構(gòu)也越來越多地被用于住宅建筑［1］。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑采用H形截面的鋼柱，存在柱角突出的問題，這就很大程度減少了使用面積；然而，在邊柱處采用T形閉口截面鋼柱可避免此問題，可致使用面積增加8%～10%［2］。

實際工程中的鋼柱不可避免地會存在初始缺陷，令鋼柱的極限荷載低于理論解，而對穩(wěn)定影響最大的則是初彎曲，故對此進(jìn)行研究。

本文通過ANSYS分析研究初彎曲對T形閉口截面鋼柱整體穩(wěn)定性的影響，無量綱化后得到鋼柱在不同長細(xì)比時的極限荷載值，及相應(yīng)的曲線。

1 T形閉口截面鋼柱整體穩(wěn)定性的有限元分析

1.1 計算簡圖

T形閉口截面異性鋼柱的截面形式及各部位尺寸見圖1。

圖1 T形閉口截面計算簡圖

通過理論解與特征值屈曲分析的結(jié)果對比，說明本文的建模方法可行［3］。

1.2 非線性屈曲分析

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，考慮初彎曲為柱高的1/1 000，為了分析不同程度初彎曲對T形鋼柱的影響，另取柱高的1/700為初彎曲進(jìn)行對比分析。根據(jù)特征值屈曲的一階模態(tài)來完成初彎曲的模擬，采用Q1、Q2、Q3三種截面，a×b×c×t 的值各為240×200×300 ×20、240×120×300×20、240×400×300×20。 為了便于比較，針對三種截面鋼柱選取不同的計算長度，使長細(xì)比變化區(qū)間基本相同，取用的長細(xì)比范圍為16～140。通過理論分析已得知Q1、Q2屬于繞非對稱軸的彎曲屈曲，Q3則屬于繞對稱軸失穩(wěn)，通過這三種不同截面的鋼柱，可研究初彎曲對兩種失穩(wěn)形態(tài)的不同影響以及不同長細(xì)比鋼柱對初彎曲的敏感 程度。

Q1、Q2和Q3在初彎曲為1/1 000及1/700時的特征值屈曲荷載、極限荷載見表1～3。

表1 Q1的屈曲荷載

表2 Q2的屈曲荷載

表3 Q3的屈曲荷載

Q1、Q2、Q3三種截面在以上兩種不同程度的初彎曲下進(jìn)行ansys非線性分析，得到曲線，見圖2。并繪制極限荷載隨長細(xì)比下降情況圖，見圖3。從兩曲線圖得到如下結(jié)論：

圖2 不同幾何缺陷下的?-Pc　r　/Py

圖3 極限荷載下降情況

1）分析Q1、Q2曲線，Q1、Q2兩種截面鋼柱的極限承載力下降曲線幾乎相同，因此說明初彎曲對同類型失穩(wěn)的鋼柱影響程度基本一樣。分析其原因：初彎曲相當(dāng)于施加了一個初偏心的力，初彎曲的取值主要由鋼柱長度確定，也就是當(dāng)長細(xì)比相同時，截面面積大的鋼柱其初偏心也隨著增大，因此得到的極限承載力下降程度曲線基本一致。

2）分析Q1、Q3曲線，繞非對稱軸彎曲失穩(wěn)的鋼柱對于初彎曲更為敏感。分析其原因：繞非對稱軸失穩(wěn)的鋼柱，產(chǎn)生彎曲屈曲，即與初彎曲是一種模態(tài)的疊加；繞對稱軸失穩(wěn)的鋼柱，產(chǎn)生彎扭屈曲，與初彎曲并不是簡單的疊加，因此繞非對稱軸屈曲的鋼柱受初彎曲的影響較大。

3）長細(xì)比越大，鋼柱受初彎曲的影響越小。分析其原因：長細(xì)比大的鋼柱在彈性狀態(tài)時的極限荷載較小，達(dá)到極限承載力時的位移較大，因此長細(xì)比越大的鋼柱受初彎曲的影響越小。

4）初彎曲從1/1 000增大到1/700，鋼柱的屈曲荷載有所下降。也就是初彎曲增大43%，Q1、Q2下降最大值為4.95%，Q3下降最大值為6%。因此相比較初彎曲的增大率，屈曲荷載的下降率很低。在設(shè)計時，適當(dāng)考慮初彎曲大小，承載力的誤差不會相差太大。

2 結(jié) 語

1）初彎曲對同類型失穩(wěn)的鋼柱影響程度基本一樣。

2）繞非對稱軸彎曲失穩(wěn)的鋼柱對于初彎曲更為敏感。

3）長細(xì)比越大，鋼柱受初彎曲的影響越小。

4）在設(shè)計時，適當(dāng)考慮初彎曲大小，承載力的誤差不會相差太大。

［1］ 王萌，樊江，焦義.鋼異形柱L形截面的受力分析與改進(jìn)方案［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（10）∶12.

［2］ 蔣詩瑩，黃呈偉.鋼異形柱T形截面幾何參數(shù)計算［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（28）∶6918-6924.

［3］ 趙滇生，徐利麗. T形閉口截面鋼柱整體穩(wěn)定性分析［J］.浙江建筑，2014，31（7）∶20-23.

［4］ 北京鋼鐵總院設(shè)計研究總院.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京∶中國計劃出版社，2003.

Effect of Initial Bending to the Stability of T-Shaped Closed Section Steel Column

XU Lili

TU224；TU323.1

A

1008-3707（2016）08-0001-02

2016-04-27

徐利麗（1988—），女，浙江杭州人，助教，從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)工作。