腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件直接強度法研究

徐 鋒 鋒

(廣東理工學院，廣東 肇慶 526100)

腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件直接強度法研究

徐 鋒 鋒

(廣東理工學院，廣東 肇慶 526100)

直接強度法(DSM)是冷彎薄壁型鋼穩定設計的主要方法，這種方法對腹板未開孔構件設計可行性強，但是對于腹板開孔構件的適用性還不得而知。選取一定參數的純彎開孔構件進行了有限元分析，分析表明：純彎構件發生畸變屈曲的DSM公式在孔高比為0.2,0.4,0.6和0.8下均需要進行修正，并給出了修正公式。

直接強度法，有限元，冷彎薄壁C型鋼，腹板開孔

0 引言

目前，冷彎薄壁型鋼構件設計方法主要有兩種方法：有效截面法和直接強度法[1]。有效截面法計算過程非常復雜，并且只是針對構件發生局部屈曲的情況下才能應用。對于發生畸變屈曲的構件，有效截面法日漸式微。直接強度法(Direct Strength Method，簡稱DSM)是Schafer和Pek?z于1998年在冷彎薄壁型鋼受彎構件試驗數據基礎上提出的一種新的冷彎薄壁型鋼構件設計方法。這是一種非常實用并且有著廣闊發展前景的冷彎薄壁型鋼構件承載力設計方法。但是直接強度法的提出和適用是針對未開孔構件的，對于開孔構件還沒有具體的設計方法理論[2]。我國GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結構設計規范[3]也沒有關于開孔構件具體的設計方法。開孔冷彎薄壁型鋼受彎構件承載力的計算是否可以采用已有未開孔直接強度法公式計算值得進一步去研究。

1 直接強度法簡介

Schafer通過對已有的試驗數據進行回歸整理，建立了冷彎薄壁型鋼受彎構件的直接強度法計算公式。DSM公式分為兩類：一類考慮了畸變屈曲，另一類考慮了局部和整體的相關屈曲。

考慮畸變屈曲受彎構件抗彎承載力Mnd計算公式為：

(1)

考慮局部和整體相關屈曲的受彎構件抗彎承載力Mnl計算公式為：

(2)

純彎構件的最終抗彎承載力為：Mn=min{Mnd,Mnl}。

2 純彎開孔構件DSM研究

根據已發表的文獻[4]腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件的有限元分析結果，以原始DSM公式為基準，修正適用于腹板開孔純彎構件的DSM公式。原始DSM公式將局部屈曲和畸變屈曲分別采用不同的公式計算，沒有考慮局部和畸變的相關屈曲這種情況。在有限元分析選取參數時由于對構件的整體彎扭屈曲進行了限制，構件僅發生了畸變屈曲和局部與畸變的相關屈曲。所以本文在建立DSM計算公式時，分別考慮畸變屈曲和局部與畸變相關屈曲兩類公式。

3 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。首先進行特征值分析，得出特征值分析的不同模態，提取出第一模態，然后進行非線性分析。圖1為卷邊長度40 mm，構件厚度3.0 mm時不開孔和工業標準化孔洞尺寸試件特征值局部屈曲模態。圖2為卷邊長度20 mm，構件厚度3.0 mm時不開孔和工業標準化孔洞尺寸試件特征值畸變屈曲模態[4]。

4 純彎開孔畸變DSM公式研究

腹板開孔構件在原有的直接強度法公式設計下是否安全還不得而知，因此需選取孔高比0.2,0.4,0.6和0.8發生畸變屈曲(卷邊20 mm)的算例分別代入驗證。用凈截面邊緣屈服彎矩Mynet代替原始DSM計算公式中的Mne，以有限元分析所得純彎構件的抗彎承載力Mu與Mynet的比值Mu/Mynet作為縱坐標，以λd=(Mynet/Mcrd)0.5作為橫坐標，繪制二者之間的散點圖。

5 修正后的直接強度法公式

由圖3可以看出，孔高比0.2,0.4,0.6和0.8的構件均需要進行修正，圖3中虛線是純彎構件畸變屈曲原始DSM曲線，從圖3中看出大多數散點位于原始DSM曲線的下方，此時若采用原始DSM公式計算這些構件的抗彎承載力是偏于不安全的，因而對其進行修正。圖3中實線是修正后的純彎構件畸變屈曲DSM曲線，大多數散點位于修正DSM曲線的上方，基本滿足要求。

修正后孔高比0.2畸變屈曲DSM曲線所對應的計算公式為：

(3)

修正后孔高比0.4畸變屈曲DSM曲線所對應的計算公式為：

(4)

修正后孔高比0.6畸變屈曲DSM曲線所對應的計算公式為：

(5)

修正后孔高比0.8畸變屈曲DSM曲線所對應的計算公式為：

(6)

6 結語

純彎狀態下，原有的直接強度法設計公式不再適用于開孔發生畸變屈曲的構件，對于不同孔高比0.2，0.4，0.6和0.8的構件DSM公式均需要進行修正，并給出了修正公式。

[1] 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.

[2] Moen C D.DIirect Strength Design of Cold-Formed Steel Members with Perforations[D].Johns Hopkins University，2008:1-529.

[3] GB 50018—2002,冷彎薄壁型鋼結構技術規范[S].

[4] 徐鋒鋒,趙金友.腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構件抗彎承載力研究[J].山西建筑,2016，42(21):46-48.

ResearchonC-shapedbendingstrengthofcold-formedthin-walledflexuralmemberswithwebholes

XuFengfeng

(GuangdongPolytechnicCollege,Zhaoqing526100,China)

Direct Strength Method(DSM) is the main method for the stability design of cold-formed steel, the method of web undrilling component design is feasible, but suitable for web opening component also can make nothing of it. This paper selects some parameters of pure bending members with holes for the finite element analysis, analysis showed that the DSM formula of pure bending distortional buckling hole in the high ratio of 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8 are revised, and the revised formula is given.

direct strength method, finite element, cold-formed thin walled C-section steel, web opening holes

1009-6825(2017)32-0040-03

2017-09-06

徐鋒鋒(1990- )，男，助教

TU311.4

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