高強鋼焊接工字形截面梁整體穩定性能分析★

韋 娜 趙金友 陳天威 楊守一 祝怡晴

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來隨著鳥巢、上海中心大廈和深圳平安金融中心等[1]一批跨度大、層數高的大體量建筑拔地而起，結構受力以及建筑體型趨于復雜的同時也推動了高強度鋼材在建筑中的應用。與普通強度鋼材相比，高強度鋼材在節省建筑材料、提高結構抗震性能方面具有很大優勢[2]，目前國內外學者已經開展了一系列屈服強度不低于460 MPa鋼材受壓、受彎構件整體穩定性能研究，并給出了相應的建議設計方法[2,3]。為了研究高強度鋼材受彎構件和普通強度鋼材受彎構件整體穩定性能的差異，本文對屈服強度為235 MPa,345 MPa和460 MPa的鋼梁進行考慮殘余應力和不考慮殘余應力的有限元分析，探究殘余應力和鋼材強度的變化對鋼梁整體穩定性能的影響。

1 有限元模型

利用ANSYS有限元軟件建立鋼梁的有限元模型，采用Shell181殼單元模擬鋼梁，鋼材本構關系彈性模量E=2.06×105MPa，切線模量取為彈性模量的2%，泊松比υ=0.3，網格大小約為25 mm，邊界條件約束梁端左側截面上所有節點的豎向和平面外位移，并約束形心處軸向位移，梁端右側同樣約束截面上所有節點的豎向和平面外位移，荷載形式為跨中作用一個集中荷載。模型計算簡圖及有限元模型如圖1所示。首先對模型進行特征值屈曲分析，將特征值屈曲分析得到的構件一階屈曲模態施加1/1 000的變形作為構件的初彎曲，再引入殘余應力進行非線性分析。

為了驗證有限元模型的正確性，選取文獻[4]中Q460鋼H形截面簡支梁整體穩定試驗數據對有限元模型進行校核，試驗中工字形截面尺寸H×B×tw×tf為270 mm×180 mm×8 mm×10 mm，荷載形式為跨中作用一個集中荷載。有限元分析結果與試驗結果對比情況見表1，除A2試件誤差較大外其余試件誤差均在5%范圍內，表明本文建立的有限元模型較為正確，可用于后續有限元分析中。

表1 有限元模擬結果與文獻[4]Q460GJ鋼H形截面梁承載力試驗結果對比

2 有限元分析

2.1 殘余應力的影響

焊接殘余應力作為一種初始缺陷是影響鋼梁整體穩定性能的重要因素，為了研究殘余應力對于鋼梁整體穩定性能的影響，選取截面尺寸H×B×tw×tf為350 mm×175 mm×8 mm×10 mm，跨度分別為2 m，2.5 m，3 m，3.5 m和4 m的鋼梁進行有限元分析。在模擬殘余應力時，屈服強度為460 MPa的鋼梁采用文獻[4]提出的Q460高強鋼殘余應力分布模型，屈服強度為235 MPa和345 MPa的鋼梁采用傳統殘余應力分布模型[5]，具體分布情況如圖2所示。

2.2 鋼材強度的影響

圖4所示為考慮殘余應力時三種鋼材強度鋼梁的整體穩定系數對比情況，屈服強度為345 MPa比屈服強度為235 MPa的鋼梁整體穩定系數最大提高25.38%，屈服強度為460 MPa比屈服強度為345 MPa的鋼梁整體穩定系數最大提高17.58%，表明鋼梁整體穩定系數隨著鋼材強度的提高而增大，但增大程度隨強度的提高而減小。

3 結語

1)通過與已有試驗對比，證明了本文有限元模型建立方法的正確性，表明在分析鋼梁整體穩定承載力時，利用本文所建立的有限元模型可以得到較為精確的結果。

2)殘余應力的存在會降低鋼梁的整體穩定承載力，但其對鋼梁整體穩定性能的影響程度隨著鋼材強度的提高而減小。

3)隨著鋼材強度的提升，鋼梁整體穩定承載力隨之增大，但增高幅度隨著鋼材強度的提高而逐漸減小。