雙拼熱軋槽鋼柱的受力性能有限元研究

王鵬鵬，郁有升，張子露

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266525)

組合截面鋼構件與其他截面形式相比，具有材料利用合理、剛度大、抗扭性能好的優點。在這種組合截面構件中，通過限制單肢構件的長細比，使得整個構件的屈服要先于單肢構件的屈服，從而使整個結構有更好的承載能力[1]。根據組合構件的材料類型，一般分為冷彎型鋼和熱軋槽鋼。對于冷彎薄壁型鋼拼合構件，國內外學者采用試驗以及有限元方法主要研究了拼合構件的極限承載力。聶少鋒等[2]通過試驗和有限元軟件對由自攻自鉆螺釘連接C 形和U形冷彎薄壁型鋼而拼合成的箱形柱進行了分析。崔瑤等[3]研究了由C形和U形截面組合而成的雙肢和四肢截面冷彎薄壁型鋼柱的極限承載力，結果表明長細比是影響試件破壞形態以及承載力的主要因素。喬文濤等[4]提出一種由C形拼合而成的新型十字截面冷彎薄壁型鋼柱，并通過有限元軟件研究了此類雙拼柱在軸壓受力下的承載力。對于熱軋槽鋼組合構件的研究，主要集中于雙槽鋼拼合構件在延性交錯桁架鋼框架中[5-9]的運用，冉紅東等[5]在研究雙槽鋼組合截面懸臂構件的過程中，主要分析了填板間距、支撐間距、腹板高厚比以及加勁肋對于構件滯回性能的影響，減小填板間距能夠保證單肢槽鋼之間的協同工作作用，防止單肢槽鋼出現彎扭失穩現象。梁文龍[7]進行了延性交錯桁架組合H形截面構件在往復彎曲下的滯回性能試驗，研究了填板間距、側向支撐長度、塑性鉸區域加勁肋設置、腹板高厚比等參數對雙槽鋼組合H形截面滯回性能的影響。

目前對于由螺栓連接的雙拼熱軋槽鋼柱受力性能的研究處于起步階段。本文建立了考慮材料、幾何非線性和初始缺陷的有限元分析模型，對由螺栓連接組合而成的雙拼熱軋槽鋼柱進行模擬分析，研究單肢長細比、柱長度、加勁肋設置對于雙拼柱極限承載力和破壞模式的影響。

1 雙拼柱設計以及有限元模型的建立

1.1 試件設計

圖1為某集裝箱裝配式建筑設計方案，每個集裝箱(圖2)建筑框架柱采用帶孔槽鋼柱作為框架柱，采用螺栓將帶孔槽鋼柱拼接成雙肢熱軋槽鋼柱，實現集裝箱在橫向上的組合，如圖3所示。

圖1 某集裝箱裝配式建筑外形(單位：mm)

圖2 單個集裝箱框架(單位：mm)

圖3 集裝箱框架拼接(單位：mm)

根據上述某集裝箱裝配式建筑設計方案，選用20a[200 mm×73 mm×7 mm×11 mm]的熱軋槽鋼作為雙拼柱的單肢槽鋼。試件長度根據上述建筑層高設置為3300，3900以及4500 mm，螺栓采用10.9級M30摩擦型高強螺栓，螺栓沿試件縱向按照一定距離排列，并在兩端50 mm處加強。試件截面形式和尺寸如圖4所示，螺栓布置形式如圖5所示。

圖4 雙拼熱軋槽鋼柱截面(單位：mm)

圖5 螺栓布置(單位：mm)

為研究單肢長細比、柱長度、加勁肋設置對雙肢槽鋼雙拼柱極限承載力和破壞模式的影響，本文設計3組共計24個試件進行對比研究。A組試件研究單肢長細比對雙拼柱受力性能的影響，單肢長細比分別為10i，20i，30i，40i，50i(i為單肢槽鋼的回轉半徑，i=iy)；B組試件研究柱長度對雙拼柱受力性能的影響，試件長度分別為3300，3900，4500 mm；C組試件研究加勁肋設置對雙拼柱受力性能的影響，在螺栓兩側或在兩排螺栓中間腹板位置設置加勁肋。圖6為試件命名規則，圖7為典型試件結構布置及尺寸。

圖6 試件命名規則加勁肋設置類型分為三類：(1)未設置加勁肋；

圖7 典型試件結構布置及尺寸(單位：mm)

1.2 有限元模型的建立

利用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元分析模型如圖8所示，鋼材選用Q355鋼，彈性模量Es=2.06×105N/mm2，泊松比為0.35，屈服應力為σy=355 N/mm2，材料本構關系服從隨動強化法則中的理想彈塑性模型。兩肢槽鋼腹板背靠背處設置面-面接觸，根據《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[10]摩擦系數為0.4；螺栓桿與槽鋼接觸面設置面-面接觸，設置無摩擦；螺栓帽與槽鋼的接觸面設置面-面接觸，摩擦系數設置為0.4；螺栓采用高強螺栓，高強螺栓預緊力設計值為355 kN，在螺桿上施加螺栓荷載模擬螺栓預緊力。為了實現受壓構件下端固定、上端鉸接的邊界條件，在有限元分析中，約束底端面上所有節點沿x，y，z方向上的平動自由度和轉動自由度，約束上端面沿x，y軸方向上的平動自由度U1，U2，如圖9所示。劃分網格時選取實體單元C3D8R。利用有限元軟件對雙拼熱軋槽鋼柱試件進行分析時，將分析步驟分為三步，先對雙拼柱試件進行特征值屈曲分析；然后選用1階模態中的L/1000[11](L為柱長度)屈曲變形為下一步的初始缺陷，施加在模型上；最后采用位移控制的弧長法對雙拼柱進行非線性屈曲分析。

圖8 有限元分析模型

圖9 網格劃分以及邊界條件

2 雙拼熱軋槽鋼柱受力性能的影響因素

2.1 單肢長細比的影響

設計A組試件研究單肢長細比對于雙拼熱軋槽鋼柱受力性能的影響。表1為A組試件的參數和極限承載力，圖10為試件的整體破壞形態，圖11為不同長細比情況下雙拼柱荷載-豎向位移曲線，圖12為橫向位移(取試件上橫向變形最大的位置)隨單肢長細比變化規律，試件承載力隨單肢長細比變化規律如圖13所示。

圖13 A組試件的荷載-單肢長細比曲線

表1 A組試件的基本參數和極限承載力

由模擬分析、圖10和圖11可知，試件A-3900-50i-(1)在加載初期無明顯變形現象，荷載-豎向位移曲線呈線性增長；荷載不斷增加，試件在第一排螺栓和第二排螺栓中間出現兩肢槽鋼分離現象，分離程度隨著荷載的增加不斷加劇，直至試件破壞，試件最終的破壞形式為單肢槽鋼彎曲失穩。試件A-3900-40i-(1)，A-3900-30i-(1)，A-3900-20i-(1)，A-3900-10i-(1)在加載初期，試件未見變形情況，荷載-豎向位移呈線性增長；荷載進一步增加，第一排和第二排螺栓處的翼緣出現屈曲現象，第一排和第二排螺栓中間出現兩肢槽鋼分離現象，荷載-豎向位移曲線增長關系由線性轉為非線性；荷載持續增加，在第二排螺栓處出現整體彎曲現象，荷載-豎向位移曲線增長到最大值，試件最后的破壞形式為整體彎曲失穩破壞。

圖10 A組試件的整體破壞形態

由表1、圖12和圖13可知，雙拼熱軋槽鋼柱極限承載力隨著單肢長細比的減小而增大，試件A-3900-50i-(1)，A-3900-40i-(1)，A-3900-30i-(1)，A-3900-20i-(1)，A-3900-10i-(1)的極限承載力均達到同截面H形鋼柱承載力的70%以上，其中A-3900-10i-(1)達到了80%以上；單肢長細比由50i逐次降低到10i，試件的極限承載力分別提高了3.0%，2.8%，2.6%，5.0%，單肢長細比由20i降低到10i時，如圖13所示，極限承載力提升明顯。由圖10和圖12可知，試件單肢長細比由50i降低到40i時，橫向位移明顯減??；單肢長細比由40i逐次降低到10i時，橫向位移降低幅度未見明顯差異。分析對比可知，試件A-3900-10i-(1)兩肢槽鋼未見明顯分離現象，兩肢槽鋼橫向變形位移均在20 mm以內，說明兩肢槽鋼拼合效應良好。

試件A-3900-50i-(1)單肢長細比過大，單肢槽鋼的穩定性較弱，雙拼柱的整體性差，導致試件兩肢槽鋼分離嚴重，橫向位移較大，破壞模式為單肢槽鋼彎曲破壞，對比同組其他試件，過早達到屈曲狀態，承載力較低。試件A-3900-40i-(1)，A-3900-30i-(1)，A-3900-20i-(1)，A-3900-10i-(1)單肢長細比逐漸減小，單肢槽鋼的穩定性增強，使得整個構件的整體彎曲失穩要先于單肢構件的彎曲失穩，極限承載力增加，雙拼柱的整體性提升，兩肢槽鋼分離現象減弱，橫向位移隨著長細比的減少而變小。

綜上所述，雙拼熱軋槽鋼柱的單肢長細比過大，兩肢槽鋼之間分離嚴重，極限承載力較低；單肢長細比為10i時，試件未見明顯兩肢分離現象，承載力明顯提升，承載力達到同截面H形鋼柱承載力的80%以上，考慮構件受力安全是最重要的因素，建議單肢長細比的取值小于10i。

2.2 柱長度的影響

設計B組試件分析柱長度對于雙肢槽鋼雙拼柱受力性能的影響。表2為B組試件的參數和極限承載力，圖14為B組試件的荷載隨柱長度變化規律，圖15為B組試件的橫向位移隨柱長度變化規律。

由表2和圖14可知，雙拼熱軋槽鋼雙拼柱在相同單肢長細比、不同柱長度的作用下，極限承載力變化很小。單肢長細比分別為30i，20i，10i的試件，柱長度由3300 mm增大到3900 mm再增大到4500 mm，極限荷載變化幅度均在1%以內，荷載-柱長度曲線斜率隨著柱長度的增大未見明顯變化，可見柱長度的變化對雙拼柱極限承載力的影響很小。由圖15可知，不同長細比的橫向位移隨著柱長度的增大，均有增大和減小的變化，但變化幅度較小。可見柱長度的變化對雙拼柱的破壞形態影響不大。

表2 B組試件的參數和極限承載力

柱長度增加，試件的整體長細比增大，整體穩定性降低，但是雙拼柱的承載力和破壞模式未見明顯變化，結合2.1節所述，試件發生破壞的位置集中在第一排螺栓和第二排螺栓之間，可見單肢長細比是影響雙拼柱承載力和破壞模式的主要因素，柱長度對于雙拼熱軋槽鋼柱的極限承載力和破壞模式影響不明顯。

2.3 加勁肋設置的影響

設計C組試件研究加勁肋設置對于雙拼柱受力性能的影響。C組試件的參數和極限承載力見表3，試件承載力隨加勁肋位置改變的變化規律如圖16所示，圖17為C組試件橫向位移隨加勁肋設置的變化規律。

由表3和圖16可知，單肢長細比為30i，20i，10i的雙拼熱軋槽鋼柱在螺栓兩側設置加勁肋，試件的極限承載力均明顯提高，分別增加了8.3%，8.1%，7.3%；在兩排螺栓中間設置加勁肋對于極限承載力均未見明顯提升，增加幅度在1%以內。由圖17可知，在雙拼熱軋槽鋼柱上設置加勁肋，橫向位移變小，說明設置加勁肋能減小試件的變形程度；長細比為10i的雙拼柱在兩排螺栓中間位置設置加勁肋，對比未設置加勁肋的雙拼柱，橫向位移在X+方向上減小了77%，說明試件的整體性有顯著提升。雙拼柱的應力集中位置主要在第一排螺栓和第二排螺栓處，在螺栓兩側設置加勁肋能夠提高螺栓處構件的強度，承載力增加明顯；雙拼柱的破壞位置集中在第一排螺栓和第二排螺栓的中間位置，在兩排螺栓中間處設置加勁肋，增加中間位置的強度，并且加勁肋對于單肢槽鋼的變形具有約束作用，對比未設置加勁肋的雙拼柱橫向位移明顯減小。

表3 C組試件的參數和極限承載力

綜上所述，在雙拼熱軋槽鋼柱的螺栓兩側設置加勁肋能明顯提高極限承載力；在兩排螺栓中間處設置加勁肋能約束雙拼柱的變形程度。考慮構件受力安全是最重要的因素，增加過多加勁肋會造成裝配復雜、造價過高等不利因素，建議在螺栓兩側設置加勁肋。

3 結論

1) 單肢長細比由50i降低到10i，雙拼柱的極限承載力不斷提高，兩肢槽鋼拼合效應不斷增強，單肢長細比是影響雙拼熱軋槽鋼柱極限承載力和破壞模式的關鍵因素?？紤]構件受力安全是最重要的因素，建議單肢長細比的取值小于10i。

2) 雙拼熱軋槽鋼柱受力部位和破壞位置集中在第一排螺栓和第二排螺栓的中間位置，改變柱長度對于雙拼柱的極限承載力和破壞模式影響不大。

3) 在雙拼熱軋槽鋼柱的螺栓兩側設置加勁肋能明顯提高極限承載力；在兩排螺栓中間處設置加勁肋能約束雙拼柱的變形程度?？紤]構件受力安全是最重要的因素，增加過多加勁肋會造成裝配復雜、造價過高等不利因素，建議在螺栓兩側設置加勁肋。