冷弯薄壁型钢构件开孔稳定性研究★

武 胜 兴大鹏

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

冷弯薄壁型钢构件制作之时所选用的基本材料以钢带、钢片、钢板等为主，经由冷加工成型，成型可借助辊轧、折弯机折弯来实现。较热轧型钢构件而言，其优势比较突出，譬如加工制造步骤简单、构件形式丰富、易于运送等。由于冷弯薄壁构件拥有诸多优良的力学性能，其实用性得到了社会的认可，尤其是在民用建筑市场及工业中具有极高的运用频率。在许多先进国家之中，此类钢结构被广泛使用并取得了很好的经济效益。我国的冷弯薄壁钢结构起步较西方发达国家晚，但是近些年使用规模较大，并且在未来，这一趋势将会更加扩大。

1 冷弯薄壁型钢研究国内与国外现状

1.1 冷弯薄壁型钢的国外研究现状

由于冷弯薄壁型钢的强度高、抗拉性能强等优良性能能减少建筑物在受到外力时的破坏程度，同时还可以避免不安全事件，以防造成人员和财物受损，研究其性能尤为重要。C.D. Moen和B. W. Schafer[1]对开孔冷弯薄壁型钢短柱以及中长柱展开了轴心受压试验，在研究分析之后指出，孔洞出现对柱受压承载力减小影响比较微弱，它使得腹板的局部屈曲承载力减弱，更多的荷载作用施于柱翼缘及卷边，而畸变屈曲失效模式也因此而出现。Frank H. Smith[2]对腹板开孔的受压构件进行了实验和有限元模拟研究，提出了受压状态下弹性屈曲应力求解的方案。大量的国外科学家对冷弯薄壁槽钢进行了大量的设计与研究，并提出了具有使用价值的建议。

1.2 冷弯薄壁型钢的国内研究现状

随着我国近些年的快速发展，冷弯薄壁型钢的研究技术的能力逐步提高，所取得的科研成果也是日益丰硕，并在工业及民用建筑中得到了大范围的运用，使得建筑物在被自然灾害侵袭时所受到的损失大大减少。本文的研究主要围绕此类钢开孔时的力学性能而展开，对相应的特性加以分析，从而探寻出有效的研究途径并得出科学的结论。另外，有关的研究长久以来始终将此类钢结构的稳定问题作为一个探究的关键方向。伴随此类钢构件强度的提升、厚度的减小，截面形式的复杂度也愈来愈高，从而致使构件的屈曲模式也变得愈加复杂。开设孔洞使得构件原本应力排布被打乱，致使板件间的彼此作用大受干扰，破坏了构建的稳定性。故而，有关于开孔截面冷弯薄壁型钢构件的稳定性方面的问题还需要展开更深层次的研究。冷弯薄壁型钢开孔构件主要参数有：空洞长度，空洞宽度，空洞横向间距，空洞纵向间距。

冷弯薄壁腹板开孔C形梁在现实工程中的运用较为普遍，为了系统化的研究其稳定承载性，徐宏艳[3]选择运用了有限元法。

基于试验研究，对能够对几何及材料双重非线性加以思考的开孔梁有限元计算模型进行了设立，对模型运算精度在截面弯角等的影响之下所发生出现的波动进行了探索及讨论，从而最终所得到的有限元模型具有较高的合理性。另外，还就开孔梁极限承载力受到冷弯残余应力和几何初始缺陷的影响进行了研究，同时也对前者在受到后二者的共同作用之下发生的改变展开了探究；在多次运算及分析之后，最终对最小孔边距限值和有关的开孔参数之间的关联性做出了清晰的确定，同时将其中的后者视作自变量，并基于此给出了运算最小孔边距的具体公式。为了在设计规划都得以达成的同时使结构得到最大化的节约，专门对梁极限承载力受到孔洞尺寸(高度等)的影响展开了探究，并成功地将开孔梁孔洞高度最大限值得出。最后，给出了明确的开孔优化方案。曹宇飞[4]将研究对象锁定为截面形式各异的腹板开孔薄壁钢轴压构件，并且分别对∑形复杂卷边槽钢、复杂卷边槽钢两种形式共计10根腹板开孔轴压简支柱展开了承载力试验。对此类复杂截面轴心受压构件的特性进行了研究，发现对于上述两种卷边槽钢来说，在用钢量一致的情况之下，后一种形式的承载效率比前者提高30%～50%。除此之外还有很多学者对冷弯薄壁型钢进行了大量的研究，得出了一些学术成就以及科研成果，并提出了一些可行性的研究建议，进而使我国在钢结构研究方面得到了较为长期性的进步与发展。梁润嘉[5]、谭政等[6]众多在钢结构的力学性能研究方面做出杰出贡献的学者，对开孔冷弯薄壁型钢进行了大量的科学试验研究，收获了诸多的成果，为后人的研究打下了牢靠的根基。

2 冷弯薄壁型钢研究过程原理

设计钢结构的时候，应结合工程的现实状况进行思考，从而对各项用料、建造规划等加以设立，以使运用期间的各项性能达到预设的要求，譬如稳定性等。

2.1 建立模型

借助有限元软件ANSYS对所需的试验模型加以设立，选取构件尺寸的主要参数有：构件长度、高度、宽度，也就是L,H,B，孔洞横、纵向间距、长度、宽度，也就是a,b,u,v。通过对这些参数的改变来达成对模型构件的设立，从而展开相应分析。

2.2 选取单元

当运用ANSYS有限元软件的时候，选取Shell181平板壳元，各单元的节点数是4个，而各节点的转动、位移自由都均为3个，单元涵盖了大变形、应力强化、大应变、塑形特征，在对比其他ANSYS里的壳单元之后，发现Shell181能够得到较为满意的结果。

2.3 模型假设

在全面分析比较全模型、半模型二者力学性能之后发现后者不会受制于前者端部的影响，可将该性能展现的更加充分，故而选用后者。模型的约束条件是构件一端对除了轴向以外的两个平动位移进行约束；而对称端则对轴向平动以及另两个方向的转动进行制约。为了对端弯矩展开模拟，选择运用了将梯度分布力施于模型端面之上的加载途径。

2.4 有限元分析

借助ANSYS对冷弯薄壁型钢构件展开力学分析，将结果绘出应力—应变曲线、变形云图。

3 冷弯薄壁型钢分析方法

其他国家对于此类钢构件的运用先于我们国家，故而有关的研究也颇为丰富。近年来站在理论的角度上对此类钢构件的屈曲模式及性能进行了研究。在理论研究的基础上，将理论应用于试验研究和计算机模拟分析，运用有限元法和有限条法对冷弯薄壁型钢构件进行分析。因为此类钢受弯构件受到力的影响，不管其是否开孔都会有局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲三种模式出现。由于有限元分析法可具有使设计及分析的循环周期减小；增加产品和工程的可靠性；运用优化设计来使材料成本得以节约；于工程建造之前就能够将一些暗藏的问题发现出来；可对各类试验规划进行模拟，使得时间、物资等成本减小等诸多优点，所以其将会推广使用。

4 结语

1)根据受压分析可知，冷弯薄壁型钢构件在受压条件下相关曲线饱满，证明适合承受压弯荷载作用。2)冷弯薄壁型钢不但具有较大的抗弯承载力及刚度，而且出现局部屈曲的几率极低，适合承受弯矩荷载作用。因而，应当在一定的范围内对其加以推广，同时在现实工程之中对其加以运用。3)在屈曲模式分析之中，其出现局部屈曲的几率极低，提示构件的整体性较佳。4)腹板开孔之后，型钢变形承载力弱，然而变形幅度降低，构件初始刚度提高少许。5)腹板空洞长度是影响此类钢受力变形的关键参数，构件承载力会伴随空洞长度的加大而减小，应当予以重视。