冷弯型钢双肢组合截面长柱轴压性能分析

王 群

(西安欧亚学院建筑工程学院，陕西 西安 710065)

0 引言

冷弯薄壁型钢结构作为一种新型结构体系，近年来在各国得到了广泛应用，由C形和U形截面基本构件通过自攻自钻螺钉连接形成各种截面形式的拼合立柱，作为主要承重构件被广泛应用于冷弯薄壁型钢结构住宅墙体边角处、门窗洞口等需加强的部位[1，2]。本文利用ANSYS有限元程序对开口双肢组合截面立柱长柱的轴压性能进行了分析研究，得出了在轴向压力作用之下，开口双肢组合截面立柱长柱的破坏模式和极限承载力。

1 有限元模型的建立

1)构件的几何模型。开口双肢组合截面立柱由C形和U形冷弯薄壁型钢基本构件通过自攻自钻螺钉拼合而成，立柱截面形式如图1所示，尺寸如表1所示。

2)材料的本构关系。本文有限元分析中的钢材材性按照本文试验取弹性模量E=2.23×105，泊松比 μ=0.3，屈服强度 fy=334.03 MPa。理论上临界屈曲荷载与材料的屈服强度是无关的，材料应力—应变关系采用理想弹塑性模型即可，而在非线性屈曲分析时，材料的本构关系如图2所示。

图1 开口双肢组合立柱截面

图2 材料的应力—应变曲线

表1 截面编号及尺寸 mm

3)有限元模型。参考文献[3]，采用有效应变单元Shell81模拟立柱和导梁，采用三维结构实体单元Solid45模拟ST4.8级自攻自钻螺钉。参考文献[4]～[7]，文中模型施加l/750的几何初始缺陷，l为立柱长度，未考虑残余应力和冷弯效应的影响。开口双肢组合截面立柱的有限元实体模型如图3所示。

图3 构件实体模型

2 有限元参数分析

2.1 破坏模式

有限元分析所得的最终破坏模式属于整体、局部以及畸变屈曲的相关屈曲破坏，试件在加载过程当中都出现了不同程度的局部屈曲与畸变屈曲现象，破坏特征如图4所示。

图4 破坏特征

2.2 极限承载力

开口双肢截面立柱轴压荷载和轴向位移的变化关系如图5所示，其极限承载力为116.74 kN。

图5 荷载—轴向位移关系曲线

3 结语

1)开口双肢组合截面立柱长柱破坏以弯曲屈曲为主，同时加载过程中伴随有畸变屈曲和局部屈曲。2)开口双肢截面组合截面立柱轴向受压极限承载力为116.74 kN。

[1]周绪红，石 宇，周天华，等.低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系[J].建筑科学与工程学报，2005(7):36-37.

[2]YU W W.Cold Formed Steel Design[M].3rd ed.New York:John Wiley ＆ Sons，2000.

[3]陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析——ANSYS使用指南[M].北京:中国铁道出版社，2001.

[4]GB 50017-2010，钢结构设计规范[S].

[5]王士奇，董 军.轴心受压冷成型厚壁钢构件非线性有限元分析[J].建筑结构，2004(11):63-65.

[6]王 广.冷弯薄壁卷边槽钢受压畸变屈曲性能分析[D].杭州:浙江大学，2007.

[7]刘向斌.开口三肢冷弯薄壁型钢拼合立柱轴压承载力试验 与理论研究[D].西安:长安大学，2010.