L形閉口截面壓彎構件整體穩定承載力試驗與數值分析

趙滇生,陳 臻

(浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

L形閉口截面壓彎構件整體穩定承載力試驗與數值分析

趙滇生,陳 臻

(浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310014)

先設計制作了4個不同截面的L形閉口截面壓彎試件,通過加載試驗分析試件的整體穩定性。然后采用有限元軟件建立模型,并將數值分析結果與試驗結果對比,以驗證有限元模型的可靠性。最后與規范計算值作比較,分析L形閉口截面壓彎構件整體失穩特性。

整體穩定；L形閉口截面；異形構件

近年來,國家大力推廣鋼結構住宅,而異形鋼柱在鋼結構住宅中的應用對增加建筑使用面積與美化建筑外觀有不小益處[1]。其中L形閉口截面柱用于鋼結構住宅的角柱,具有良好的應用前景。

1 L形閉口截面構件整體穩定試驗分析

1.1 試驗概況

共制作了4個L形閉口截面壓彎試件,采用Q235B鋼材,長度3 m,為了便于制作,試驗所用試件由3個4 mm壁厚的矩形鋼管采用間斷焊縫焊接而成,焊接使用E43焊條,焊腳尺寸4 mm。4個試件的主要截面參數見表1。

本試驗試件在兩端分別設置了頂板與底板,板厚16 mm。試件上下兩端彎矩作用平面內為鉸接,彎矩作用平面外為嵌固。試件于頂部、中部、底部分別布置應變片與位移計,以測量相應的應變與位移值,試件立面與測點布置見圖1。圖1中,x軸為強軸,y軸為弱軸。

試驗加載儀器采用YAW-5000F型長柱試驗機,通過液壓方式加載。通過它可獲取荷載與柱頂豎向位移值。

表1 試件截面尺寸及幾何特征

1.2 試驗現象與分析

4個試件受力性能基本相似。加載初期,每級加載應變與位移讀數增長較慢,試件變形不明顯,隨著荷載的增大, 每級荷載的應變位移值級差漸漸加大。繼續加載,荷載達到極限,荷載值不再增加,甚至下降,位移值持續增加,可觀察到試件明顯彎曲,部分中間截面應變值持續變化。加載過程見圖2。

圖1 試件示意圖

試驗中,測點D5位移值一直很小,表明試件沒有發生平面外的彎曲。D3、D4測點位移值十分接近,表明試件基本沒有扭轉。從而證實,對于單軸對稱L形閉口截面壓彎構件,彎矩繞截面非對稱軸作用時,將發生彎矩作用平面內的彎曲屈曲[2]。

圖2 加載過程圖

2 L形閉口截面構件整體穩定有限元分析

2.1 模型的建立

采用ANSYS軟件建立了與試件相同尺寸的有限元模型,單元為shell 181殼單元[3],材料本構關系為理想彈塑性,單元劃分尺寸取為10 mm。模型將兩矩形鋼管焊接在一起的邊簡化為一條邊,將其厚度取為鋼管壁厚的2倍。模型在構件兩端的形心分別建立了一個節點,節點定義為MASS 21單元,將兩端面的所有殼單元節點與其耦合。模型考慮了鋼柱的初彎曲與殘余應力,初始撓度設置為長度的1‰。根據文獻[4],焊接殘余壓應力峰值設置為-0.3fy。

2.2 有限元分析結果

有限元分析得到4個模型的極限承載力、位移與應力等數據。N-v關系與試驗結果見圖3,極限承載力結果見表2。數值模擬計算結果與試驗結果差值小于8.5%,且兩者N-v曲線十分相近,故數值分析結果能較好地反映鋼柱整體失穩的實際情況。兩者結果存在一定誤差,主要原因有兩個,一方面是建模時將兩矩形鋼管焊接在一起的邊簡化為一條邊,另一方面是有限元分析的初始缺陷與實際情況不盡一致。

圖3 有限元與試驗N-v曲線對比

表2 試驗與有限元分析結果對比

注:Ns為試驗所得的極限荷載；Nm為ANSYS非線性分析所得的極限荷載。

3 鋼結構設計規范計算結果

結合目前鋼結構住宅中的常見墻體規格,調整有限元計算參數計算。設置5種構件截面,截面參數見表3。考慮到鋼材性能的利用率,實際工程較有可能采用鋼板焊接的方式組成L形閉口截面,截面示意圖見圖4,點O為截面形心點。本節構件鋼材均采用Q345。

圖4 截面示意圖

鋼結構設計規范[5]第5.2.5條給出了雙向壓彎構件彎矩作用平面內的穩定計算公式,彎矩繞弱軸作用平面內的整體穩定計算采用式(1)。穩定系數參考鋼結構設計規范中b類截面軸心受壓構件穩定系數。對比式(1)與有限元分析結果(表4)。同有限元分析結果相比式(1)計算結果偏大10%以內,故式(1)可作為單軸對稱L形閉口截面壓彎構件的設計公式。

+η+≤f (1)

注:A為截面面積,t為厚度。

表4 計算結果對比

注:l為構件計算長度；ex′、ey′分別為軸力作用點到x、y軸的距離；Ng為鋼結構設計規范計算軸力；Nm為有限元計算軸力。

式中：Wx、Wy分別為對x、y軸的毛截面抵抗拒；

φy為對y軸的軸心壓桿穩定系數；

βtx為等效彎矩系數,按鋼結構設計規范5.2.2條彎矩作用平面外穩定計算的有關規定采用；

φbx￣為均勻彎曲的受彎構件的整體穩定系數,對閉口截面取1.0；

βmy為等效彎矩系數,按鋼結構設計規范5.2.2條彎矩作用平面內穩定計算的有關規定采用；

η為截面影響系數,閉口截面取0.7；

4 結 語

經分析表明,單軸對稱L形閉口截面壓彎構件作為鋼結構框架角柱,其整體穩定性計算僅需計算彎矩繞弱軸作用平面內的穩定性。

有限元與試驗結果對比分析表明有限元建模方法正確可靠,對于不同長細比、偏心距、截面尺寸的單軸對稱L形閉口截面壓彎構件，可采用鋼結構設計規范公式計算,計算結果偏于安全。

[1] 陳志華. 鋼結構和組合結構異形柱[J].鋼結構,2006(2):27-29．

[2] 陳驥. 鋼結構穩定理論與設計[M].北京:科學出版社, 2001．

[3] 王新敏. ANSYS工程結構數值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007．

[4] 陳紹蕃. 鋼結構設計原理[M]3版.北京:科學出版社, 2005．

[5] 北京鋼鐵設計研究總院.GB 50017—2003鋼結構設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2003.

[6] 柳楊青,王恒華,蔡建國,等.閉口截面異形柱軸心受壓穩定系數[J].東南大學學報:自然科學版,2015(5):923-928．

[7] 申紅俠,彭超,任豪杰.高強鋼方管截面雙向壓彎構件局部和整體相關屈曲研究[J].工業建筑,2016(7):41-46．

Overall Stability Bearing Capacity Test and Numerical Analysis of the Bentmember with L-Typed Closed Section

ZHAODiansheng,CHENZhen

2017-05-05

趙滇生(1957—),男，浙江義烏人，副教授，研究方向為鋼結構、空間結構。

TU323

A

1008-3707(2017)06-0008-04