Q690焊接箱形高強鋼柱穩定性能數值模擬

(華南理工大學 廣東 廣州 510641)

一、研究背景

隨著鋼材生產工藝發展,鋼材的強度得到大幅提高。然而國內外對高強鋼結構的設計理論[1]還不完善，針對高強鋼結構的穩定性研究很少，不足以提出有關高強鋼構件極限承載力的計算公式。因此，現有的穩定設計方法能否適用于高強鋼，還需進行相應的試驗和數值研究，以保證結構的安全性。本文就Q690鋼材箱型軸壓構件進行穩定性能數值研究。為進一步試驗研究及理論設計提供依據。

二、有限元分析

(一)模型簡述

本文采用ABAQUS軟件建模數值分析，分別就殘余應力、初始彎曲對Q690鋼材構件屈曲的極限荷載的影響，建立考慮殘余應力和初始彎曲、只考慮初始彎曲、只考慮殘余應力以及不考慮殘余應力和初始彎曲等4個模型對比分析，試件均為300×300×6方鋼管柱，柱長為3米。

(二)建模方法

本文模型單元采用常規殼單元(圖1)。厚度均取6mm。賦予截面屬性時設置沿外圍偏移。本構關系采用理想彈塑性模型，彈性模量取210Gpa，泊松比取0.3。塑性特性取文獻[2]塑性模型先文獻試驗參考數據屈服強度設為705MP，應變0,塑性變形后應力750MP形變為0.076。網格采用S4R四節點減縮積分殼單元分析，單元形狀取四邊形結構，并采用沙漏控制。采用種子尺寸為15。對于邊界定義，通過耦合面于點的方法來避免截面應力集中(圖2)，即在截面兩端中心位置設置兩個參考點RP-1和RP-2，并將上下截面的所有自由度耦合至對應的參考點，此時截面等效為剛性。上下兩端約束均加在參考點上(圖3)，上端RP-1點設置為U1=U2=UR3=0，下端RP-2點設置為U1=U2=U3=UR3=0。加載時采用逐步施加荷載的方式，在RP-1點施加沿Z軸負方向的位移荷載。

圖1 殼體單元 圖2 邊界耦合 圖3 邊界設置 圖4 殘余應力模擬

(三)殘余應力及初始缺陷設置

本文分三步施加荷載分析,第一步均在復制的模型中進行，根據規范EU3中,進行特征值屈曲(Buckle)分析,求解得到柱子的屈曲模態作為初始缺陷參考，分析前，在edit keywords末尾輸入“*Output,field,variable=PRESELECT*NODE FILE,GLOBAL=YESU,”得到包含模型初始缺陷信息的fil文件，其次根據文獻[2]試驗研究，采用溫度場施加荷載模擬焊接后應力作為殘余應力參考(圖4)，分析后，在可視化中點擊報告，將該應力偏量S11，S22,S33,S12按照相應的編碼以dat文件保存。第二步，將柱截面初始缺陷或殘余應力作為初始狀態輸入模型。具體操作：輸入初始應力時，在目標模型edit keywords中，以 initial conditions,type=stress,input=文件名.dat輸入至模型。輸入初始缺陷時，在目標模型edit keywords中輸入“imperfection,file=buckling,step=1,1,3”至模型。第三步施加軸壓荷載,分析步采用極限破壞分析(Static risk),采用弧長法并考慮幾何非線性進行求解。同時,施加荷載的數值應通過幾次試算,使得最終計算得到的收斂最大弧長接近1,以保證結果具有較高的精度。

(四)結果分析

采用上述的建模方法，同時考慮殘余應力與初始彎曲，模擬與文獻[2]試驗試件，并將分析結果與試驗現象進行校核，模擬較好。

當同時考慮殘余應力以和初始彎曲時，根據圖5a可知，構件此時發生了局部屈曲，由于板的寬厚比小，截面面積較大，加上初始彎曲以及殘余應力的共同作用，易發生局部失穩，在弧長位移3.59mm時，屈曲極限荷載為325.9kN，并將分析的結果與文獻[3]理論計算公式進行對比,后者得出的局部屈曲臨界荷載為243.36kN,兩者相差25.3%。由此可見按照普通鋼材考慮板件約束以及寬厚比的影響得出的局部穩定臨界荷載值過于保守，不適用于高強鋼;當只考慮初始彎曲時，如圖5b所示，由于不考慮殘余應力的影響，局部失穩后可繼續承受額外的荷載，但由于中間彎曲大于構件長度的千分之一，主要影響構件危險部位的分布，造成局部失穩在中間點先于其他點破壞。中間處應力超過690Mpa，隨后發生整體失穩現象。在弧長位移在13.2mm時，整體失穩臨界荷載為890.92kN；當只考慮殘余應力時，如圖5c所示，由于未考慮初始彎曲，模態各點初始缺陷小，造成整體先于局部失穩。在弧長位移等于4.61mm時，作用力達到486.251kN，為整體失穩臨界承載力；當殘余應力和初始彎曲均不考慮時，如圖5d所示，此時構件也發生整體失穩。在弧長等于13.13mm時，作用力達到1242.13kN，為整體失穩臨界承載力。

a 考慮殘余應力和初始彎曲 b 只考慮初始彎曲c 只考慮殘余應力 d 不考慮殘余應力和初始彎曲

三、結論

(1)殘余應力和初始彎曲對高強度箱型柱穩定性能影響均有較大影響，且前者影響更大。因此加工該類鋼柱時，需采用合理處理方式削弱兩者的影響。

(2)建立的有限元模型考慮了幾何初始缺陷及截面殘余應力，能夠準確預測國產Q690高強鋼焊接箱形截面軸壓柱的整體穩定承載力。

(3)有限元模型分析得到的整體穩定系數明顯高于我國規范相應的設計曲線，表明Q690高強度鋼材焊接截面柱的整體穩定系數較普通鋼材鋼柱有明顯提高。規范公式過于保守，需要更多相應的研究提供一個針對高強鋼完善的公式。