Q460级冷弯厚壁方钢管局部屈曲性能研究

张鼎

摘要： 本文采用ANSYS考虑双重非线性，对25根强度为460MPa，长细比为20的短柱局部屈曲进行了有限元分析，得出了局部屈曲极限承载力。此外，分析了宽厚比和方钢管弯角部位半径对其局部屈曲承载力的影响，并与焊接方形截面进行了对比。

Abstract： In this paper， ANSYS is used to consider the double nonlinearity. The local buckling of 25 short columns with an ultimate strength of 460 MPa and a slenderness ratio of 20 is analyzed by finite element method. The ultimate buckling strength of local buckling is obtained. In addition， the effects of aspect ratio and radius of square steel tube corner on local buckling capacity are analyzed and compared with that of welded square section.

關键词： 冷弯厚壁；方钢管；局部屈曲；极限承载力

Key words： cold-formed thick wall；square steel pipe；local buckling；ultimate bearing capacity

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）18-0158-02

0 引言

冷弯厚壁方钢管具有生产工业化程度高、质量易保证、相同截面面积情况下回转半径大等优点。符合轴压构件对截面开展，双轴等稳，抗扭性好、整体稳定承载力高等要求[1-3]。2017年中国钢铁产业链发展高峰论坛暨中联钢年会指出钢结构未来用料的发展方向是高强度和冷弯方矩管[4]。日本已可生产出断面为1000×1000×25的冷弯方矩管，此种截面的构件在高层建筑中应用广泛。在设计中，为了使截面材料得到有效利用，板件宽厚比常常超过《钢结构设计规范》[5]（GB50017-2003）（以下简称“03规范”）规定的限值40。而冷弯厚壁方钢管生产过程中的冷弯效应使板件及弯角部位屈服强度均有不同程度的提高[6-10]，这使得宽厚比限值进一步降低，构件更容易发生局部屈曲。由于方钢管的板件处于四边支承状态，屈曲后强度很高；适当放宽板件宽厚比，利用屈曲后强度，可提高构件的承载力，达到节约钢材的目的[11-12]。相较于焊接方形截面，冷弯方钢管板件的实际宽度更小，理论上其局部屈曲承载力应更高；但是弯角部位对板件的约束作用不明确。所以，对高强冷弯厚壁方钢管局部屈曲性能进行研究有重要意义。

1 有限元模型建立

考虑几何非线性和材料非线性，建立三维实体几何模型，划分网格生成有限元模型。然后进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析，得到考虑几何初始缺陷、冷弯硬化效应和冷弯残余应力影响的极限承载力。

1.1 单元类型选择

本文选取SOLID186高阶3维20节点实体单元建立模型。该单元具有二次位移，适用于模拟不规则网格。该单元每个节点具有x、y、z三个方向的平移自由度，并具有塑性、大变形和大应变能力。

1.2 模型基本参数与边界条件

模型采用von Mises屈服准则，相关流动法则，等向强化准则。弹性模量E=206kN/mm2，切线模量Et=0.03E，泊松比ν=0.3，屈服强度取试验实测值。冷弯厚壁方钢管截面如图1所示。

构件两端设有刚性端板，为模拟实际工程中的铰接，令端板仅可以绕x轴转动。约束底部端板x轴方向中线的x、y向自由度和端板中心的z向自由度；约束顶部端板x轴方向中线的x、y向自由度。采用以位移控制的加载方式。构件截面参数如表1所示。

1.3 几何初始缺陷

模型同时考虑构件的整体初始缺陷和板件的初始缺陷。根据《结构用冷弯空心型钢尺寸、重量、外形及允许偏差》[13]（GB/T 6728-2002）的要求，构件整体初弯曲幅值取L/1000，L为构件长度；板件初弯曲幅值取3b/1000，b为截面边长。分别采用整体和局部的第一阶屈曲模态乘以相应的幅值对模型施加初始几何缺陷。

1.4 双重非线性

模型非线性分析采用弧长法，求解过程考虑双重非线性（材料非线性和几何非线性）。ANSYS中通过采用双线性各向同性强化模型来实现材料非线性，通过打开几何大变形来实现几何非线性。

2 数值模拟结果及分析

本文对屈服强度为460MPa、宽厚比B/T=37.5、43.75、50、56.25、62.5五种截面（根据“03规范”[5]，Q345钢的宽厚比限值为40=28），每种宽厚比分别取弯角半径为16、20、24、28、32的25根构件局部屈曲进行了有限元模拟。局部屈曲极限承载力结果如表2所示。

由表2可以看出，高强冷弯厚壁方钢管局部屈曲极限承载力随着弯角半径的增大而增大。在分析宽厚比对局部屈曲极限承载力的影响时，为了剔除截面面积对其局部屈曲承载力的影响，采用屈曲荷载来进行比较。如表3所示。

由表3可以看出，高强冷弯厚壁方钢管局部屈曲极限承载力随着宽厚比的增大而下降。由图2可以看出，其局部屈曲承载力随弯角半径增大的增幅随着宽厚比的增大而逐渐降低。且冷弯型钢的局部屈曲承载力大于焊接方形截面。

3 结论

综上，本文通过对25根强度为460MPa，长细比为20的短柱局部屈曲进行有限元分析，对于高强冷弯厚壁方钢管局部屈曲承载力得出以下四个结论：第一，在宽厚比一定时，构件的局部屈曲承载力随弯角半径的增大而增大；第二，在弯角半径一定时，构件的局部屈曲承载力随宽厚比的增大而下降；第三，局部屈曲承载力随弯角半径增大的增幅随着宽厚比的增大而逐渐降低；第四，冷弯型钢的局部屈曲承载力大于焊接方形截面。且两种截面回转半径基本相同，所以在工程应用中冷弯型钢的承载力更高。

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