冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件稳定性能分析★

李 莹 赵金友 姜玉东

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·结构·抗震·

冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件稳定性能分析★

李 莹 赵金友 姜玉东

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

采用有限元软件ANSYS对3种加劲形式冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件的稳定性能进行了非线性分析，结果表明：加劲形式是影响构件屈曲模式和抗弯承载力的重要因素，构件在非纯弯状态下的抗弯承载力均大于纯弯状态下的抗弯承载力。

复杂卷边槽钢，受弯构件，屈曲模式，抗弯承载力

0 引言

冷弯薄壁型钢构件受力时有3种可能的屈曲模式：整体屈曲、局部屈曲及畸变屈曲。随着对冷弯薄壁型钢稳定性能研究的不断深入，对受弯构件的研究已从受纯弯作用发展到受非纯弯作用。有关研究表明[1，2]，卷边形式是影响构件屈曲模式和抗弯承载力的重要因素，复杂卷边对翼缘的约束作用要优于直卷边和斜卷边。此外，在板件中间设置加劲肋可以有效地降低板件宽厚比，从而提高构件的极限承载力[3]。综上所述，本文对复杂卷边构件、翼缘中间V形加劲复杂卷边构件及翼缘和腹板V形加劲复杂卷边构件进行非线性分析，研究上述3种截面构件在纯弯与非纯弯状态下的屈曲模式和抗弯承载力。

1 模型设计

1.1 试件截面形式与材料属性

槽钢试件截面形式如图1所示。其中腹板高度H=160 mm，翼缘宽度B=80 mm，板件厚度t=2.5 mm，初卷边宽度d=30 mm，再卷边宽度a=20 mm，V形加劲宽度Sb=20 mm、高度Sh=10 mm，弯曲内径r=3 mm。试件编号规则如图2所示。钢板的屈服强度fy=345 MPa，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。

1.2 建立模型

采用有限元软件ANSYS12.0中的Shell181壳单元模拟试件。分析模型分纯弯和非纯弯两种，如图3所示。纯弯试件长L1=2 820 mm，非纯弯试件长L2=1 920 mm，研究区段长度均为900 mm。有限元分析模型如图4所示，相同试件设计成2个，并将2个试件在支座与荷载处通过工字形截面的连接件背靠背连接。为避免非研究区段对研究区段产生影响，用盖板通过高强螺栓与非研究区段上翼缘相连。

2 有限元分析

有限元分析分为特征值屈曲分析和非线性分析两步。首先由特征值屈曲分析得到试件可能的屈曲模态，然后通过非线性分析得到试件的极限承载力。非线性分析时初始几何缺陷的取值依据文献[4]确定，当试件的特征值屈曲模式为局部屈曲时，初始缺陷取0.1t，当试件的特征值屈曲模式为畸变屈曲时，初始几何缺陷取1.0t，t为板件厚度。分析时并未考虑冷弯作用及残余应力的影响，因为二者作用相反，可视作相互抵消[5]。

2.1 屈曲模式

试件最后的失稳模式与特征值屈曲模式大致相同。复杂卷边试件(简称V0试件)在纯弯和非纯弯状态下均发生局部屈曲失稳，图5为V0试件的特征值局部屈曲模态，纯弯试件研究区段内翼缘及腹板发生局部屈曲，非纯弯试件加载点处翼缘、腹板及卷边发生局部屈曲。

翼缘中间V形加劲试件(简称V1试件)的失稳模式以局部屈曲为主，在受压翼缘还发生了一定程度的畸变屈曲，表现为局部与畸变的相关屈曲。翼缘和腹板V形加劲试件(简称V2试件)的局部屈曲临界应力得到进一步提高，使畸变屈曲起主要控制作用，最终发生畸变屈曲失稳，图6所示为V2试件的特征值畸变屈曲模态。

2.2 抗弯承载力

表1，表2分别列出了试件在纯弯与非纯弯状态下的抗弯承载力M。由表1，表2可知，受纯弯作用时，V1试件与V2试件的承载力相比于V0试件分别提高了3.62%，5.00%，V2试件的承载力比V1试件提高了1.33%。受非纯弯作用时，V1试件与V2试件的承载力相比于V0试件分别提高了4.81%,6.29%，V2试件的承载力比V1试件则提高了1.42%。不难发现，V2试件的抗弯承载力相对于V1试件的提高幅度较小，说明腹板V形加劲对承载力的影响较小。

纯弯与非纯弯试件抗弯承载力对比列于表3。可以看出，非纯弯试件的抗弯承载力均大于纯弯试件，提高幅度均在45%以上，且提高幅度与屈曲模式有关，发生局部屈曲的试件提高幅度较小，而发生畸变屈曲的试件提高幅度较大。

表1 纯弯试件抗弯承载力对比

表2 非纯弯试件抗弯承载力对比

表3 纯弯、非纯弯试件抗弯承载力对比

3 结语

通过对复杂卷边构件、翼缘中间V形加劲复杂卷边构件及翼缘和腹板V形加劲复杂卷边构件在纯弯和非纯弯状态下进行非线性分析，得到以下结论：

1)加劲形式对构件屈曲模式有明显影响。复杂卷边构件在两种受弯状态下均发生局部屈曲，翼缘中间V形加劲复杂卷边构件发生局部和畸变的相关屈曲，而翼缘和腹板V形加劲复杂卷边构件则发生畸变屈曲。

2)槽钢构件非纯弯状态下的抗弯承载力明显高于纯弯状态下的，且提高幅度与屈曲模式有关，当发生局部屈曲失稳时，提高幅度较小；当发生畸变屈曲失稳时，提高幅度较大。

3)无论在纯弯状态还是非纯弯状态下，翼缘和腹板V形加劲复杂卷边构件的极限承载力均最大。

[1] 王海明,张耀春.直卷边和斜卷边受弯构件畸变屈曲性能研究[J].工业建筑,2008,38(6):106-109.

[2] 王海明,张耀春.复杂卷边冷弯型钢受弯构件屈曲性能研究[A].2007年全国轻型钢结构技术研讨会论文集[C].2007:58-62.

[3] 王春刚,张壮南,张耀春.中间加劲复杂卷边槽钢轴心受压构件承载力试验研究[J].工程力学,2013,30(1):221-228.

[4] 王海明,张耀春.冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文,2010:6-12.

[5] Dubina D, Uneureany V. Effect of imperfections on numerical simulation of instability behaviour of cold-formed steel members [J]. Thin-Walled Structures,2002,40(3):239-262.

The analysis on stability behavior of thin-walled cold-formed steel flexural channels with complex edge stiffeners★

LI Ying ZHAO Jin-you JIANG Yu-dong

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The stability behavior of cold-formed thin-walled steel flexural channels with complex edge stiffeners including three types of stiffeners was analyzed by nonlinear finite element analysis using software ANSYS. The results showed that the stiffener is a key factor that affects the buckling mode and bending strength. And the bending strength under non-pure bending is higher than that under pure bending.

channels with complex edge stiffeners， flexural members， buckling mode， bending strength

1009-6825(2014)35-0043-02

2014-09-24★：黑龙江省博士后科研启动项目(项目编号：LBH-Q13004)；中央高校基本科研业务费专项基金项目(项目编号：LBH-Q13004)；东北林业大学大学生创新训练项目(项目编号：201410225138)

李 莹(1990- )，女，在读硕士； 赵金友(1977- )，男，副教授； 姜玉东(1993- )，男，在读本科生

TU311

A