腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法研究

徐 鋒 鋒

(廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100)

腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構(gòu)件直接強(qiáng)度法研究

徐 鋒 鋒

(廣東理工學(xué)院，廣東 肇慶 526100)

直接強(qiáng)度法(DSM)是冷彎薄壁型鋼穩(wěn)定設(shè)計的主要方法，這種方法對腹板未開孔構(gòu)件設(shè)計可行性強(qiáng)，但是對于腹板開孔構(gòu)件的適用性還不得而知。選取一定參數(shù)的純彎開孔構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，分析表明：純彎構(gòu)件發(fā)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(jìn)行修正，并給出了修正公式。

直接強(qiáng)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(gòu)件設(shè)計方法主要有兩種方法：有效截面法和直接強(qiáng)度法[1]。有效截面法計算過程非常復(fù)雜，并且只是針對構(gòu)件發(fā)生局部屈曲的情況下才能應(yīng)用。對于發(fā)生畸變屈曲的構(gòu)件，有效截面法日漸式微。直接強(qiáng)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(gòu)件試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出的一種新的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件設(shè)計方法。這是一種非常實(shí)用并且有著廣闊發(fā)展前景的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力設(shè)計方法。但是直接強(qiáng)度法的提出和適用是針對未開孔構(gòu)件的，對于開孔構(gòu)件還沒有具體的設(shè)計方法理論[2]。我國GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[3]也沒有關(guān)于開孔構(gòu)件具體的設(shè)計方法。開孔冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件承載力的計算是否可以采用已有未開孔直接強(qiáng)度法公式計算值得進(jìn)一步去研究。

1 直接強(qiáng)度法簡介

Schafer通過對已有的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸整理，建立了冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件的直接強(qiáng)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(guān)屈曲。

考慮畸變屈曲受彎構(gòu)件抗彎承載力Mnd計算公式為：

(1)

考慮局部和整體相關(guān)屈曲的受彎構(gòu)件抗彎承載力Mnl計算公式為：

(2)

純彎構(gòu)件的最終抗彎承載力為：Mn=min{Mnd,Mnl}。

2 純彎開孔構(gòu)件DSM研究

根據(jù)已發(fā)表的文獻(xiàn)[4]腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構(gòu)件的有限元分析結(jié)果，以原始DSM公式為基準(zhǔn)，修正適用于腹板開孔純彎構(gòu)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(guān)屈曲這種情況。在有限元分析選取參數(shù)時由于對構(gòu)件的整體彎扭屈曲進(jìn)行了限制，構(gòu)件僅發(fā)生了畸變屈曲和局部與畸變的相關(guān)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(guān)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(jìn)行特征值分析，得出特征值分析的不同模態(tài)，提取出第一模態(tài)，然后進(jìn)行非線性分析。圖1為卷邊長度40 mm，構(gòu)件厚度3.0 mm時不開孔和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化孔洞尺寸試件特征值局部屈曲模態(tài)。圖2為卷邊長度20 mm，構(gòu)件厚度3.0 mm時不開孔和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化孔洞尺寸試件特征值畸變屈曲模態(tài)[4]。

4 純彎開孔畸變DSM公式研究

腹板開孔構(gòu)件在原有的直接強(qiáng)度法公式設(shè)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(fā)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(gòu)件的抗彎承載力Mu與Mynet的比值Mu/Mynet作為縱坐標(biāo)，以λd=(Mynet/Mcrd)0.5作為橫坐標(biāo)，繪制二者之間的散點(diǎn)圖。

5 修正后的直接強(qiáng)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(gòu)件均需要進(jìn)行修正，圖3中虛線是純彎構(gòu)件畸變屈曲原始DSM曲線，從圖3中看出大多數(shù)散點(diǎn)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(gòu)件的抗彎承載力是偏于不安全的，因而對其進(jìn)行修正。圖3中實(shí)線是修正后的純彎構(gòu)件畸變屈曲DSM曲線，大多數(shù)散點(diǎn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)的計算公式為：

(6)

6 結(jié)語

純彎狀態(tài)下，原有的直接強(qiáng)度法設(shè)計公式不再適用于開孔發(fā)生畸變屈曲的構(gòu)件，對于不同孔高比0.2，0.4，0.6和0.8的構(gòu)件DSM公式均需要進(jìn)行修正，并給出了修正公式。

[1] 王海明.冷彎薄壁型鋼受彎構(gòu)件穩(wěn)定性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 徐鋒鋒,趙金友.腹板開孔冷彎薄壁C型鋼純彎構(gòu)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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