Q460級冷彎厚壁方鋼管局部屈曲性能研究

張鼎

摘要： 本文采用ANSYS考慮雙重非線性，對25根強度為460MPa，長細比為20的短柱局部屈曲進行了有限元分析，得出了局部屈曲極限承載力。此外，分析了寬厚比和方鋼管彎角部位半徑對其局部屈曲承載力的影響，并與焊接方形截面進行了對比。

Abstract： In this paper， ANSYS is used to consider the double nonlinearity. The local buckling of 25 short columns with an ultimate strength of 460 MPa and a slenderness ratio of 20 is analyzed by finite element method. The ultimate buckling strength of local buckling is obtained. In addition， the effects of aspect ratio and radius of square steel tube corner on local buckling capacity are analyzed and compared with that of welded square section.

關鍵詞： 冷彎厚壁；方鋼管；局部屈曲；極限承載力

Key words： cold-formed thick wall；square steel pipe；local buckling；ultimate bearing capacity

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）18-0158-02

0 引言

冷彎厚壁方鋼管具有生產工業化程度高、質量易保證、相同截面面積情況下回轉半徑大等優點。符合軸壓構件對截面開展，雙軸等穩，抗扭性好、整體穩定承載力高等要求[1-3]。2017年中國鋼鐵產業鏈發展高峰論壇暨中聯鋼年會指出鋼結構未來用料的發展方向是高強度和冷彎方矩管[4]。日本已可生產出斷面為1000×1000×25的冷彎方矩管，此種截面的構件在高層建筑中應用廣泛。在設計中，為了使截面材料得到有效利用，板件寬厚比常常超過《鋼結構設計規范》[5]（GB50017-2003）（以下簡稱“03規范”）規定的限值40。而冷彎厚壁方鋼管生產過程中的冷彎效應使板件及彎角部位屈服強度均有不同程度的提高[6-10]，這使得寬厚比限值進一步降低，構件更容易發生局部屈曲。由于方鋼管的板件處于四邊支承狀態，屈曲后強度很高；適當放寬板件寬厚比，利用屈曲后強度，可提高構件的承載力，達到節約鋼材的目的[11-12]。相較于焊接方形截面，冷彎方鋼管板件的實際寬度更小，理論上其局部屈曲承載力應更高；但是彎角部位對板件的約束作用不明確。所以，對高強冷彎厚壁方鋼管局部屈曲性能進行研究有重要意義。

1 有限元模型建立

考慮幾何非線性和材料非線性，建立三維實體幾何模型，劃分網格生成有限元模型。然后進行特征值屈曲分析和非線性屈曲分析，得到考慮幾何初始缺陷、冷彎硬化效應和冷彎殘余應力影響的極限承載力。

1.1 單元類型選擇

本文選取SOLID186高階3維20節點實體單元建立模型。該單元具有二次位移，適用于模擬不規則網格。該單元每個節點具有x、y、z三個方向的平移自由度，并具有塑性、大變形和大應變能力。

1.2 模型基本參數與邊界條件

模型采用von Mises屈服準則，相關流動法則，等向強化準則。彈性模量E=206kN/mm2，切線模量Et=0.03E，泊松比ν=0.3，屈服強度取試驗實測值。冷彎厚壁方鋼管截面如圖1所示。

構件兩端設有剛性端板，為模擬實際工程中的鉸接，令端板僅可以繞x軸轉動。約束底部端板x軸方向中線的x、y向自由度和端板中心的z向自由度；約束頂部端板x軸方向中線的x、y向自由度。采用以位移控制的加載方式。構件截面參數如表1所示。

1.3 幾何初始缺陷

模型同時考慮構件的整體初始缺陷和板件的初始缺陷。根據《結構用冷彎空心型鋼尺寸、重量、外形及允許偏差》[13]（GB/T 6728-2002）的要求，構件整體初彎曲幅值取L/1000，L為構件長度；板件初彎曲幅值取3b/1000，b為截面邊長。分別采用整體和局部的第一階屈曲模態乘以相應的幅值對模型施加初始幾何缺陷。

1.4 雙重非線性

模型非線性分析采用弧長法，求解過程考慮雙重非線性（材料非線性和幾何非線性）。ANSYS中通過采用雙線性各向同性強化模型來實現材料非線性，通過打開幾何大變形來實現幾何非線性。

2 數值模擬結果及分析

本文對屈服強度為460MPa、寬厚比B/T=37.5、43.75、50、56.25、62.5五種截面（根據“03規范”[5]，Q345鋼的寬厚比限值為40=28），每種寬厚比分別取彎角半徑為16、20、24、28、32的25根構件局部屈曲進行了有限元模擬。局部屈曲極限承載力結果如表2所示。

由表2可以看出，高強冷彎厚壁方鋼管局部屈曲極限承載力隨著彎角半徑的增大而增大。在分析寬厚比對局部屈曲極限承載力的影響時，為了剔除截面面積對其局部屈曲承載力的影響，采用屈曲荷載來進行比較。如表3所示。

由表3可以看出，高強冷彎厚壁方鋼管局部屈曲極限承載力隨著寬厚比的增大而下降。由圖2可以看出，其局部屈曲承載力隨彎角半徑增大的增幅隨著寬厚比的增大而逐漸降低。且冷彎型鋼的局部屈曲承載力大于焊接方形截面。

3 結論

綜上，本文通過對25根強度為460MPa，長細比為20的短柱局部屈曲進行有限元分析，對于高強冷彎厚壁方鋼管局部屈曲承載力得出以下四個結論：第一，在寬厚比一定時，構件的局部屈曲承載力隨彎角半徑的增大而增大；第二，在彎角半徑一定時，構件的局部屈曲承載力隨寬厚比的增大而下降；第三，局部屈曲承載力隨彎角半徑增大的增幅隨著寬厚比的增大而逐漸降低；第四，冷彎型鋼的局部屈曲承載力大于焊接方形截面。且兩種截面回轉半徑基本相同，所以在工程應用中冷彎型鋼的承載力更高。

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