腹板開孔鋼梁三種加固方式的有限元分析

范新杰

(錦州市石油化工設計研究院，遼寧 錦州 121000)

近年來，隨著經濟和科學技術的蓬勃發展，人們對建筑物的使用功能需求日益增加，這就導致了需要在建筑物中布置大量的管線。為了避免由于在建筑物內布置管線而使建筑有效使用空間減小這一現象發生，結構設計師不得不采用在鋼梁腹板部位開孔，從而使管線在鋼梁腹板部位穿過的方法。然而，采用這種方法將導致鋼梁的剛度及承載力受到削弱。因此，GB 50017—2017鋼結構設計標準[1]及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規程[2]分別提出了，對鋼梁腹板開孔部位進行加固的相關規定。在實際工作中，對于這些加固措施對鋼梁力學性能的影響趨勢，結構設計師還尚不明確。因此，下面將利用有限元分析結果即荷載-跨中位移曲線和Mises應力云圖對這一問題展開討論。

1 有限元模型

本文采用ABAQUS 2017版單元庫中的4節點有限應變殼單元S4R，對模型中所有部件進行模擬。不考慮鋼梁的初始幾何缺陷，鋼材的彈性模量E=206×103N/mm2,鋼材的屈服強度為345 N/mm2；采用結構優化網格劃分技術對有限元網格進行劃分，模型的網格劃分尺寸為20 mm；鋼材的本構關系采用理想彈塑性模型；所有模型鋼梁一端的U1，U2，U3，UR方向的自由度被約束，另一端U1，U2，U3方向的自由度被約束；鋼材的屈服準則采用von Mises屈服準則。

兩組模型鋼梁的跨度為5 400 mm，橫截面均為H450×200×8×12；圓孔直徑為200 mm，矩形孔的尺寸為200 mm×600 mm；圓孔和矩形孔的間距分別為500 mm和1 000 mm，滿足GB 50017—2017鋼結構設計標準及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規程中的相關規定。兩組模型的加載方式是對鋼梁進行三分點兩集中力單向加載。鋼梁兩組模型圓孔和矩形孔的加固數據如表1，表2所示。兩組有限元模型如圖1，圖2所示。

表1 第一組有限元模型圓孔的加固參數

表2 第二組有限元模型矩形孔的加固參數

2 有限元分析結果

2.1 荷載-跨中位移曲線

通過對圖3三條曲線的發展趨勢的分析可知：當跨中位移在45 mm以下時，三條荷載位移曲線基本重合，說明三者此時都處于彈性工作階段。當荷載繼續增加至171.2 kN時，鋼梁L1率先達到了極限承載力；而此時鋼梁L2，L3處于彈塑性階段；由此采用鋼套管和雙側環形板對圓孔的加固作用就顯現出來。鋼梁L2，L3能夠承受的極限荷載分別為180.5 kN和181.5 kN,相較于鋼梁L1分別提高了5.4%和6%。此外，鋼梁L1曲線的屈服平臺段長度明顯小于鋼梁L2，L3，說明通過采用鋼套管和雙側環形板對圓孔加固后，鋼梁的延性有了顯著的提高。

通過對圖4中兩條極限承載力曲線的對比可以看出：不僅鋼梁L1的初始剛度低于鋼梁L2,而且當荷載增加到145.5 kN時，鋼梁L1達到了極限承載力，而此時鋼梁L2仍就處于彈性工作階段。這種現象表明：采用雙側縱、橫向加勁肋對矩形開孔進行加固，有效地推遲了鋼梁進入塑性階段。由于開設兩個矩形孔對鋼梁L1產生的削弱，鋼梁L1在達到極限承載力之后，承載力突然降低，破壞過程具有脆性傾向；而反觀鋼梁L2，當荷載增加至極限荷載181.7 kN之后，又經歷了一段比較長的屈服平臺，再經過一個拐點后才逐漸發生破壞。

2.2 Mises應力云圖

由圖5可知，在第一組有限元模型中的鋼梁L1，L2，L3在最終發生破壞時，上翼緣都產生了半個波的屈曲；但是，鋼梁L1的上翼緣和孔邊此時的應力集中程度明顯高于鋼梁L2，L3；這是由于鋼梁L1開圓孔處截面受到了削弱且并未對其采取任何加固措施。基于以上原因，鋼梁L2，L3分別采取了鋼套管和雙側環形板對圓孔部位進行了加固，使二者上翼緣和孔邊的應力集中現象較鋼梁L1得到了緩解。除此之外，對圓孔采取的加固措施還使得塑性鉸出現的部位產生了變化即由孔邊轉移到了鋼梁的跨中部位，并且塑性鉸區域的范圍也較之前擴大了不少。

由圖6可知，開有矩形孔的鋼梁L1，在剪力和由剪力產生的次彎矩共同作用下，塑性發展區域僅限于矩形孔的四個角部，形成了“四鉸機構”空腹破壞狀態；與此同時，在矩形孔的上翼緣都產生了局部屈曲。以上現象表明，鋼梁L1的極限承載力偏低，塑性發展受到限制，材料的強度利用率不高。基于以上不利因素，鋼梁L2依據《鋼結構設計標準》與《高層民用建筑鋼結構技術規程》在鋼梁L1的基礎上，對兩個矩形開孔周圍加設了縱橫向加勁肋。從有限元計算得到的最終發生破壞時的Mises應力云圖可以看出，塑性發展區域由原來的僅存在于兩個矩形孔的四個角部，變成了出現在鋼梁L2的跨中部位，而且塑性鉸區域得到了充分的發展。

3 結論

1)通過對開有圓孔的鋼梁加設套管和雙側環形板；以及對開有矩形孔的鋼梁加設縱橫向加勁肋的加固措施，可以使鋼梁的極限承載力和延性得到進一步提高[3]。2)腹板開圓孔鋼梁的兩種加固措施套管和雙側環形板，對于鋼梁跨中截面的剛度和延性的提高幅度很接近[4-5]。因此，結構設計人員在實際工作中可以根據具體情況，任意選擇這兩種加固方式的其中一種。3)本文中的有限元模型，是按照規范的加固構造措施最低要求建立的，從有限元的計算結果來看，加固后開孔鋼梁的跨中截面的剛度和延性都有了一定程度的提高[6]。因此，在實際的工程設計中，不要隨意的提高加固的構造措施要求，以免造成不必要的浪費。