轴心受压杆件极限承载力的影响因素分析

2019-11-28

福建质量管理 2019年21期

(四川华腾公路试验检测有限责任公司四川成都 611730)

为了防止受压杆件过早屈曲并且最大程度的节省材料保证经济性，常将压杆的截面设计成高而窄，以确保获得最大的惯性矩。例如工字钢常作为受压杆件，这种双轴对称截面，在轴向压力作用下发生弯曲屈曲。影响轴向受压杆件的整体稳定性的主要因素：截面的纵向残余应力，构件的初弯曲，荷载作用点的初偏心，边界条件等。

目前使用的规范如《钢结构设计标准(GB 50017-2017)》统计了不同制造工艺制造的构件测得的残余应力的分布形式及其峰值与初弯曲的大小将其分为abcd四种类型，并绘制了柱子曲线(横轴为正则化长细比λn，纵轴为稳定系数φ)与用以根据构件截面和材料特性的查询稳定系数的表。但是规范是综合考虑了构件的几何缺陷与力学缺陷给出的稳定系数，没有具体说明不同的缺陷对构件极限承载能力的影响程度，因此有必要将各种缺陷分别考虑以判断其对构件整体稳定性的影响。

一、构件概况

为了分析各种因素下对轴心受压杆件的极限承载能力的影响，本文以一根两端铰接的工字型截面压杆为研究对象，重点分析了残余应力以及构件的初弯曲对极限承载力的影响。压杆的几何尺寸如表1.1所示。构件的使用Q235级钢，因此本文计算时采用屈服fy=235MPa,弹性模量E=206Gpa。

表1.1 杆件几何尺寸

二、相关因素影响值计算分析

(一)理论计算值

(二)规范计算值

钢结构设计规范《钢结构设计标准(GB 50017-2017)》中综合考虑了初弯曲和残余应力的影响对轴心受压构件承载力的影响。列入规范的a、b、c、d四条柱子曲线对应着四种不同的等效缺陷。其中b类构件在实际中使用最多，因此本文以b类构件为例进行计算。

对于截面和材料的不同，规范使用了不同的稳定系数计算方法，计算出Pcr=170.42KN，通过与理论值比较可以发现，规范值比理论值下降了30.6%。由此可见在综合考虑了初始弯曲与残余应力之后，极限承载力下降了30.6%，但是这两种因素各自的影响程度还不能确定，需要各自施加在构件上通过数值计算确定。

(三)初弯曲影响计算

根据对制造的构件进行概率统计表明构件中点处初弯曲的挠度约为杆长的1/2000～1/500，规范采用了杆长的1/1000作为跨中挠度，而且沿着杆长按照正弦半波进行分布。因此此次计算采用初弯曲为y=v0sin(πx/l)，其中v0=L/1000。构件本构模型中采用双折线理想的弹塑性模型。

计算时打开几何大变形开关(nlgeom,on)将计算加载过程分为100个子步(nsubst,100)，使用弧长法追踪下降段(arclen,on)，将计算的终止条件设置为挠度变为0.1倍杆长(0.25m)，计算结果的最终变形如图1所示。经过计算得到φ=0.4，Pcr=184.67KN。通过与理论值与规范计算值比较，其中高出规范计算值8.4%，比理论值低20.5%。由于此算例中仅仅考虑初始弯曲，没有考虑残余应力的影响，因此比规范值高且低于理论值。

图1 最终变形图图2 0.4fy残余压应力

(四)残余应力影响计算

残余应力对于构件而言是一种存在于截面内且自平衡的初应力，源于构件制作时需要焊接将板件进行拼装，焊接过程中焊缝附件的材料受到高温的影响由固态变为液态，由于距离热源的距离不同，构件表面的温度也分布不均匀，因此焊缝及其附近的金属的热膨胀受到约束而不能自由伸展。焊接完成后，焊缝降温时焊缝附近的高温部分受到约束而不能回缩，导致在构件内部产生拉应力，而距离焊缝较远处产生压应力，这种现象可以用“先降温的地方产生压应力，后降温的部分会产生拉应力。”来总结描述。有时候构件内部的残余应力会达到钢材的屈服强度值。考虑到构件的焊接顺序，一般情况下，在构件翼缘端部会产生压应力而在翼缘根部会产生拉应力。

ANSYS中通过分配给截面中积分点(integration points)的初应力值来设置残余应力，初应力的设置命令为(inistate,action,val1,val1,val2,val3,val4,val5,val6,val7,val8,val9)，通过积分点的位置条件判断在积分点位置设置不同的初应力，残余应力模式如图2所示(其中表示压应力为负值，拉应力为正值)。

计算得到考虑初始弯曲与残余应力峰值为0.6fy时整体稳定系数φ=0.32，承载力Pcr=146.64KN，计算考虑初始弯曲与残余应力峰值为0.4fy时整体稳定系数φ=0.36，承载力Pcr=163.64KN。可以判断规范使用的残余应力峰值低于0.4 fy，而且还可以得出残余应力对极限承载力的影响低于初始弯曲。