十形闭口截面压弯构件弯矩作用平面内稳定性分析

2018-01-27赵滇生

浙江建筑 2018年1期

赵滇生,李哲

(浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州 310014)

在高层钢框架结构住宅中,若采用传统的矩形或工字形截面柱,难免会出现棱角外露,这样既影响建筑美观,又减少使用面积,而异形柱可克服以上缺点。本文设计4根十形闭口截面异形柱[1],进行偏心受压试验和有限元分析[2-3],对比讨论规范公式对该类截面的适用性与实用性[4]。

1 试验介绍

为便于制作,本文的闭口截面异形柱试件采用冷弯矩形钢管焊接而成。考虑箱形组合截面压弯构件整体稳定和局部稳定的要求以及异形柱的特点,选用□140 mm×80 mm,□80 mm×80 mm,□100 mm×60 mm,□60 mm×60 mm四种规格的矩形管或方管,厚度t均为4 mm,制作肢宽为60 mm和80 mm的4根十形闭口截面异形柱试件,试件编号、截面尺寸、主要截面特征见表1,长度l=3 000 mm。试件采用Q235钢材制作。通过相同钢材制作标准试件的拉伸试验,测得钢材的主要力学性能指标见表2。

为获得在单向偏心受压荷载下控制截面应变和位移,分别在试件的端部和高度中央截面布置应变测点s1～s16,位移测点d1～d7,截面尺寸及测点布置见图1。

表1 十形闭口截面异形柱截面尺寸及主要截面特性

注：A为截面面积；Ix,Iy分别为绕x-x轴和y-y轴的惯性矩；ix,λx为绕x-x轴的回转半径和长细比；ε为相对偏心率,ε=exA/Wx,ex=60 mm。

表2 钢材的力学性能指标

图1 试件截面尺寸及测点布置

加载试验采用YAW-5000F型长柱结构试验机。加载过程分预加载、标准荷载、破坏荷载和卸载[5]。所有试件均施加单向偏心荷载,荷载作用点偏离x-x轴60 mm,见图1a)。

为保证试件正常工作,在正式加载前,进行3次50 kN的预加载和卸载,同时检查试验装置,确认全部测试仪器仪表正常工作。正式加载分两个阶段,先按力控制加载,再按位移控制加载。按力加载阶段,每级50 kN,速度15 kN/min,每级加载完成后静置10 min；当相同荷载增量的应变和位移的增量变化明显增快,改为按位移加载,每级1 mm,0.2 mm/min,每级加载完成后静置10 min,确保试件充分变形并趋于稳定。当侧移持续增加但荷载开始下降时,判定试件整体失稳,在明确荷载下降趋势后,停止试验加载。

2 试验结果及有限元分析

本文采用有限元软件ANSYS的shell181壳单元建模分析[6],该单元支持线性和非线性分析,可读入初应力。模型截面和材料定义与试件相同,残余应力分布模式根据文献[3]选取,最大压应力峰值-0.3fy。模拟试验条件施加约束和荷载进行分析。试验和有限元分析的荷载-挠度曲线见图2。

图2 荷载-挠度曲线

试件变形见图3,其中a)为接近极限荷载时试件的弹塑性变形,b)c)为卸载后试件的残余变形。

以X1试件为例分析其荷载-挠度曲线oABC,从A点开始试件中央截面的边缘纤维屈服(s7应变片读数ε7=fy/E),与此对应的荷载为Py,此后塑性向纵深发展,试件变形加快。图2中oAB段曲线是上升的,此时应变能的增量ΔU大于外力功的增量ΔW,试件处在稳定状态,达到B点后,ΔU<ΔW,试件处于不稳定平衡状态而失稳[2],出现下降段曲线BC。其他试件的荷载-挠度曲线发展过程和趋势与X1试件相同。

图3 试件变形

比较图2a)与图2b),对同一截面试件,两者曲线的发展趋势一致,极限荷载相差不超过5%。试验数据与有限元分析结果对比表明,试件在加载过程中塑性的发展趋势和极限应力状态下的塑性区域分布基本一致。有限元分析结果与试验吻合良好,证明本文有限元建模分析合理,且有足够精度。在相同的荷载作用下,弯矩作用平面内长细比大的试件,产生的曲率、挠度和残余变形大,其极限承载力低。

因支座处弯矩作用平面外约束接近嵌固,且闭口截面杆件抗扭刚度很大,有限元分析和试验结果均表明,所有试件均只发生弯矩作用平面内的单向弯曲失稳破坏,未出现平面外的弯扭失稳。