冷弯薄壁型钢C形梁受剪性能分析

2018-09-13姚欣梅周绪红

建筑科学与工程学报 2018年5期

姚欣梅，周绪红,，张辉，石宇，管宇

(1. 长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061； 2. 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045； 3. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045； 4. 天津国土资源和房屋职业学院，天津 300270)

0 引言

冷弯薄壁型钢C形梁作为冷弯薄壁型钢结构中的主要受力构件，在冷弯薄壁型钢组合墙体的过梁、组合楼盖以及屋架结构中得到广泛使用，其受力状态也相对复杂，冷弯薄壁型钢梁可能受到弯矩和剪力、腹板压屈、弯矩和腹板压屈的共同作用。目前国内外学者已对冷弯薄壁型钢C形梁的受弯性能进行了大量的试验研究和理论分析[1-3]，且中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)[4]及美国AISI S100-16[5]均规定了冷弯薄壁型钢受弯构件的承载力计算公式。然而当梁剪跨比较小时，其极限承载力取决于受剪承载力，破坏模式与典型C形梁受弯也有所差别。目前中国关于冷弯薄壁型钢C形梁受剪性能的试验研究较少，且在《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)中并未提出相关设计方法。因此，有必要对冷弯薄壁型钢C形梁的受剪性能进行深入研究并分析不同因素对其受剪性能的影响。

国外学者较早采用有限元分析、试验研究和理论分析的方法对冷弯薄壁型钢梁的受剪性能进行研究。Laboube等[6]在未考虑腹板和翼缘相互影响的情况下，对冷弯薄壁型钢C形梁受剪性能进行试验研究，提出了C形梁的受剪极限承载力计算公式。AISI S100-16[5]和AS/NZS 4600:2005[7]均采用了文献[6]中的公式。Keerthan等[8-9]采用有限元方法分析了冷弯薄壁型钢C形梁腹板与翼缘之间的连接情况及剪力流分布，并对剪跨比小于2的短梁进行了受剪试验，研究了梁截面厚度、腹板高度、剪跨比以及钢材强度等因素对梁受剪承载力的影响，并提出了冷弯薄壁型钢梁受剪承载力的设计方法。Degtyarev等[10-13]进行了腹板开槽形孔的冷弯薄壁型钢C形梁的三点加载受剪试验，并采用有限元方法对C形梁的受剪性能进行研究，分析了开孔形式、边界条件、翼缘宽度、卷边长度及截面高宽比对C形梁弹性屈曲及受剪极限承载力的影响。Pham等[14-17]等采用有限元方法对冷弯薄壁型钢腹板加劲C形梁的弹性屈曲及受剪承载力进行数值分析。本文为深入研究冷弯薄壁型钢C形梁的受剪性能，首先采用ABAQUS建立文献[9]中C形梁试件的有限元模型，并与其试验结果进行对比，验证建模方法的正确性；在上述模型的基础上，通过改变C形梁的腹板高厚比、腹板厚度、剪跨比以及钢材强度对其进行变参分析，研究各参数对冷弯薄壁型钢C形梁受剪承载力及破坏形态的影响。

1 有限元模型建立及验证

1.1 试验简介

图1为文献[9]中冷弯薄壁型钢C形梁的加载装置。为避免偏心加载，试件选用2个冷弯薄壁型钢C形梁，其上翼缘采用连接角钢连接。在试件两端支座及跨中位置设置T形加劲件及腹板加劲件，各位置分别采用4个M16螺栓组合C形梁、T形加劲件及腹板加劲件。支座两端为铰接，在跨中通过T形加劲件对冷弯薄壁型钢梁施加集中荷载，可保证加载点通过试件剪切中心，避免腹板局部破坏。如图2所示，集中荷载P平均分配到单肢C形梁上为P/2，两端铰接，则支座处剪力为P/4。

1.2 有限元模型建立

基于上述试验，采用ABAQUS软件建立了冷弯薄壁型钢C形梁受剪试验模型。建模过程中发现模型忽略腹板加劲件对有限元结果无影响，故为提高模型运算速度，本文中建模不再建立腹板加劲件，整体模型见图3。

试件采用壳单元S4R模拟C形梁，采用实体单元C3D8R模拟T形加劲件；C形梁的弹性模量为2×105MPa，屈服强度及抗拉强度依据AS/NZS 4600:2005[7]取值，G250钢材屈服强度取250 MPa，极限强度取320 MPa，G450钢材屈服强度取450 MPa，极限强度取480 MPa；由于在试验中T形加劲件刚性较强，且未发生明显变形，故其弹性模量取为2×106MPa，C形梁及T形加劲件的泊松比取为0.3；建立Tie约束连接T形加劲件腹板及C形梁腹板，建立Coupling耦合跨中T形加劲件翼缘上表面及其形心上方一参考点，通过该参考点对试件施加跨中集中荷载；边界条件为两端简支，在左侧T形加劲件翼缘下端约束其x，y方向，即Ux=0，Uy=0(Ux，Uy分别为x,y方向的线位移)，在右侧T形加劲件翼缘下端约束其x,y,z三个方向，即Ux=0，Uy=0，Uz=0(Uz为z方向的线位移)。根据以上建模方法，分别建立与文献[9]中纯剪切试件相同尺寸的有限元模型(图3)。

1.3 模型验证

将有限元模拟得到的承载力、破坏特征及荷载-跨中挠度曲线分别与试验结果进行对比。表1为试验与有限元受剪承载力对比，其中VT，V分别为试验、有限元受剪承载力。由于有限元模型忽略了T形加劲件与C形梁腹板之间的滑移影响，有限元结果略大于试验结果，相对误差在15%之内，可见有限元分析方法可靠。试件3(尺寸为160 mm×65 mm×15 mm×1.90 mm的C形梁)有限元模型与试件试验破坏特征对比见图4，试件变形均为C形梁腹板发生斜向外鼓剪切变形。

表1 试验与有限元受剪承载力对比Tab.1 Comparison of Shear Bearing Capacities of Finite Element Models and Tests

试件5(尺寸为250 mm×75 mm×18 mm×1.50 mm的C形梁)与试件11(尺寸为120 mm×50 mm×18 mm×1.95 mm的C形梁)的试验与有限元荷载-跨中挠度曲线对比如图5所示，可见模型的受力过程与试验较为吻合。因此，采用上述建模方法所建立的有限元模型可用于对冷弯薄壁型钢C形梁受剪性能进行参数分析。

2 有限元参数分析结果与讨论

为进一步研究冷弯薄壁型钢C形梁的受剪性能，建立有限元模型进行变参分析，主要参数包括C形梁剪跨比、腹板高厚比、腹板厚度t及钢材屈服强度fy。根据GB 50018—2002[4]，Q235钢材的屈服强度取235 MPa，Q345钢材的屈服强度取345 MPa，各钢材弹性模量及泊松比与试验的有限元模型取值相同。模型尺寸见图6，其中L为C形梁跨度，h为腹板高度，a为C形梁2个相邻加劲肋内螺栓之间的距离，即剪跨。