加劲冷弯薄壁型钢Z形截面受弯构件有限元分析★

王全邦 赵金友 董俊巧

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

加劲冷弯薄壁型钢Z形截面受弯构件有限元分析★

王全邦 赵金友 董俊巧

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了研究卷边形式对加劲冷弯薄壁型钢Z形截面受弯构件抗弯承载力的影响，在纯弯和非纯弯状态下，对(短、长)直卷边和(短、长)斜卷边加劲冷弯薄壁型钢Z形截面构件进行了有限元分析，分析结果表明：卷边形式是影响构件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高于纯弯状态下的抗弯承载力。

冷弯薄壁型钢，卷边形式，加劲，抗弯承载力

0 引言

由于冷弯薄壁型钢具有强度高、板件薄、延性好、截面形式灵活多样、不损坏涂层以及可以大规模生产等优点，冷弯薄壁型钢Z形和C形截面被广泛应用于低层住宅结构、中等跨度门式刚架和建筑物围护结构当中[1，2]。目前，许多学者对冷弯薄壁型钢的研究主要集中在C形截面[3-5]，对Z形截面的研究还比较少。随着钢材强度不断提高，冷弯薄壁型钢板件变得越来越薄，为了防止板件在受力时发生局部屈曲，可通过在冷弯薄壁型钢构件腹板和翼缘中间设置V形加劲肋来提高构件的局部稳定性。此外，卷边是冷弯薄壁型钢Z形截面的重要组成部分，不同卷边形式下构件的承载力也不尽相同，因此，对不同卷边形式冷弯薄壁型钢Z形截面受弯构件的研究也十分有必要。为了研究卷边形式对加劲冷弯薄壁型钢Z形截面受弯构件抗弯承载力的影响，本文采用有限元软件ANSYS对不同卷边形式加劲冷弯薄壁Z形截面受弯构件进行了有限元分析，为加劲冷弯薄壁型钢Z形截面构件在实际工程中的应用提供参考。

1 有限元建模

1.1 单元选取

利用有限元程序ANSYS12.0中的Shell181壳单元对加劲冷弯薄壁型钢Z形截面构件进行模拟。模拟中支座为简支支座，一端为固定铰支座，约束X,Y,Z三个方向的位移；另一端为可动铰支座，约束X和Y两个方向的位移，其中X,Y,Z分别为构件的平面外方向、竖直方向和构件的长度方向。材料的应力—应变关系采用双折线模型，强化段斜率为2%E。

1.2 几何属性和材料属性

构件选用Q345级冷弯薄壁型钢，屈服强度fy=345 MPa，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3。构件截面形式及几何参数定义如图1所示，试验采用的板件名义厚度t=2.5 mm，所有构件的腹板高度H=160 mm，翼缘宽度B=80 mm，构件选取直卷边和斜卷边两种卷边形式，每种卷边形式对应10 mm和30 mm两种卷边宽度。斜卷边构件的卷边与翼缘成45°夹角。翼缘和腹板中间V形加劲肋的夹角均为90°，加劲肋的名义宽度Sc=20 mm，名义高度为Sf=10 mm。

1.3 加载方式

纯弯试验采用三分点加载，如图2a)所示，取中间长度为900 mm的纯弯区段作为试验的研究区段，并且采用螺栓将两侧非纯弯段的上翼缘与盖板相连，避免了两侧非纯弯段对研究区段的影响。非纯弯试验采用跨中集中加载，如图2b)所示，取支座与跨中之间900 mm的非纯弯区段作为试验的研究区段。同样，通过螺栓将另一侧非纯弯段的上翼缘与盖板相连。

2 有限元分析

2.1 有限元分析过程

有限元分析分为两个阶段：第一阶段是为了提取在弹性条件下构件可能发生的屈曲模态而进行的特征值屈曲分析；第二阶段是在第一阶段的基础上施加初始缺陷，同时考虑几何非线性和材料非线性而进行的非线性分析。通过非线性分析得到了构件的破坏模式和抗弯承载力。根据文献[6]，取局部初始缺陷0.1t，畸变初始缺陷为1.0t(t为板件厚度)。根据文献[7]的研究，残余应力和材料屈服强度提高对破坏模式和抗弯承载力影响不大，非线性分析时可不考虑。

2.2 有限元分析结果

2.2.1 破坏模式

纯弯状态下构件的破坏模式如图3所示。从图3中可见，4种截面形式构件的屈曲模式均为畸变屈曲，构件的破坏主要发生在研究区段的受压翼缘上，两个背靠背连接构件的破坏模式基本一致，且两构件的变形呈反对称状态。

非纯弯状态下构件的破坏模式如图4所示。从图4中可见，4种截面形式构件均发生了畸变屈曲，构件的破坏主要发生在加载点附近；长卷边构件的变形幅度比短卷边构件的变形幅度小，这是由于长卷边对构件翼缘的约束作用比短卷边大。

2.2.2 抗弯承载力

两种受弯状态下构件抗弯承载力和破坏模式结果列于表1中。从表1中可以看出，构件在非纯弯状态下的抗弯承载力高于纯弯状态下的。

表1 构件抗弯承载力和破坏模式结果

当构件卷边宽度发生变化时，构件的抗弯承载力也有很大的差异。纯弯状态下长直卷边构件的抗弯承载力比短直卷边构件的高出16.40%，长斜卷边比短斜卷边高出15.70%。非纯弯状态下这两项数据分别为17.76%和12.19%。由此可见，随着卷边宽度的增加，直卷边构件抗弯承载力的提高幅度大于斜卷边构件的。

3 结语

1)加劲冷弯薄壁Z型钢受弯构件在非纯弯状态下的抗弯承载力高于纯弯状态下的。2)在纯弯与非纯弯状态下，长卷边的抗弯承载力大于短卷边的；随着卷边宽度的增加，直卷边构件抗弯承载力的提高幅度大于斜卷边构件的。3)短直卷边构件的抗弯承载力略低于短斜卷边构件的；长直卷边构件的抗弯承载力则高于长斜卷边构件的。

[1] 李清扬,王建超,刘远鹏,等.冷弯薄壁加劲C型钢构件畸变性能有限元分析[J].建筑科学,2013(9):17-20.

[2] 钟国辉.冷弯薄壁型钢在房屋建筑中的研究与发展[J].建筑钢结构进展,2002(4):31-38.

[3] 王海明,张耀春.冷弯型钢C形截面受弯构件平面内稳定性能研究[J].建筑结构,2009(4):87-91.

[4] 冯 巍,赵金友,王 钧,等.带加劲冷弯薄壁型钢C形受弯构件有限元分析[J].山西建筑,2014，40(24):37-39.

[5] 董俊巧,赵金友,李成亮,等.加劲冷弯薄壁型钢受弯构件屈曲分析[J].低温建筑技术,2014(7):86-87,95.

[6] 赵金友,董俊巧,王 钧,等.不同截面形式高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力试验研究[J].建筑结构学报,2015(5):18-26.

[7] N.Abdel-Rahman,K.S.Sivakumarran.Material properties models for analysis of cold-formed steel members[J].Journal of Structural Engineering,1997,123(9):1135-1143.

The finite element analysis on bending members with Z-shaped of stiffened cold-formed thin walled steel★

Wang Quanbang Zhao Jinyou Dong Junqiao

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the form of bead stiffened cold-formed steel Z-shaped cross-section flexural capacity of the affected members bending, in pure bending and non-pure bending, for (short and long) straight bead and (short and long) crimping oblique stiffening cold-formed steel Z-shaped cross member of the finite element analysis. The results showed that, crimping form is a key factor for flexural capacity of members, flexural capacity of a non-member state of pure bending higher than under pure bending state.

cold formed thin walled steel， roll shape， stiffening rib， flexural bearing capacity

2015-06-07

★：黑龙江省自然科学基金项目(项目编号：E2015056)；中央高校基本科研业务费专项基金项目(项目编号：DL11CB08)

王全邦(1991- )，男，在读硕士； 赵金友(1977- )，男，副教授； 董俊巧(1989- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)23-0027-02

TU312

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