冷弯型钢梁受力特性有限元分析★

张俊杰 周凤林 张秋媛

冷弯薄壁型钢是一种轻型材料，由于具有卓越的结构性能和延性而广泛地运用于房屋建筑。它通过改变截面形状用相对较少材料承受较大的外载，承载力高，整体刚度较大，可以节省材料，在建筑业中被广泛地应用于次要承重构件，如我们所熟悉的檩条、墙梁、墙柱、屋面板、墙面板及楼面组合板。近年来，钢结构在国内获得超常规发展，应用更趋广泛，影响快速扩大。国内钢结构学科的发展得到了强有力的推动，并成为结构工程最具活力的研究对象。冷弯型钢结构在许多实际工程中得到越来越广泛的应用。

由于以往关于冷弯型钢梁柱节点的研究主要集中在强度和刚度计算上，对该种节点抗震性能的研究较少。为此，为了准确的研究冷弯型钢的力学性能以及各种截面的型钢对其力学性能的影响，本文主要针对目前国内使用最广泛的C型钢，Z型钢进行了分析，采用有限元软件用数值模拟方法对冷弯C型钢梁、Z型钢梁在外荷载作用下的综合力学性能进行分析，研究不同截面形状对构件的刚度有较大影响，在相同荷载作用下不同形状的梁受力特性分析。

1 模型说明

取长度为2.1 m的梁，截面考虑C型钢，Z型钢两种截面，每种截面又分别考虑3种规格。为了保证截面的单位用钢量相等，在选取截面的时候两种截面选择相同的截面面积。同时，每一种截面的型钢选取三种同截面积不同的高宽比，用于研究同种截面型钢的力学性能差异，具体见表1。

表1 两种型钢截面形状参数 mm

参照实验时的三点荷载施加方法，施加如下边界条件:在梁的上表面中部均匀加Y方向大小为12 000 N的力，均匀加在12个节点上，该荷载作用下梁进入塑性变形阶段。左右两端约束x，y，z三个方向的平动自由度，具体模型见图1。

2 有限元模型计算及分析

采用有限元软件用数值模拟方法对冷弯C型钢梁、Z型钢梁在外荷载作用下的综合力学性能进行分析，本文选取了表1中所示的算例进行有限元计算分析，模拟两种截面的型钢在受力之后的力学性能表现，制作应力效果对比见图2～图4。模拟型钢变形最大处(加力点)的位移和力的关系曲线见图5，图6。

3 结语

通过有限元模拟发现，相同截面面积的梁，在相同的外力情况下，Z型钢受力特性比C型钢受力点处位移有较大差别，Z型钢产生的内力比C型钢产生内力要小一些，且Z型钢产生的位移变形比C型钢产生位移变形要小一些。

同时研究发现两种截面与受力点对应的下表面点变形均匀，截面高度越高，位移值越小。如果希望整个梁受力均匀，可以在梁的内部添加支撑。

［1］赵鸿铁.钢与混凝土组合结构［M］.北京:科学出版社，2001.

［2］PANTAZOPOULOU S J，PAPOULIA K D.Modeling cover-cracking due to reinforcement corrosion in RC structures［J］.Journal of Engineering Mechanics，2001，127(4):342-351.

［3］张俊杰.型钢轻骨料混凝土梁斜截面承载力的试验研究［J］.混凝土，2005(2):91-98.

［4］何 陶.型钢轻骨料混凝土梁正截面受弯裂缝的试验研究［D］.哈尔滨:黑龙江科技学院，2009.