冷弯薄壁拼接梁承载力研究

孙雪倩　谢优　余君宇　张扬　杨凯文　李卓宇

摘   要：大型有限元软件的发展，很大程度地提高了结构的精度和效率，所以采用有限元模拟对冷弯薄壁拼接工字梁进行分析。在钢结构中钢梁作为主要的受弯构件，截面形式大部分为工字型，在工字型截面基础上，采用拼接截面。文章为了研究冷弯薄壁拼接梁的力学性能，对4种截面形式的钢梁进行有限元模拟，通过对有限元模拟结果的分析，探究腹板、翼缘对承载力的影响。

关键词：冷弯薄壁型钢;工字型;腹板;翼缘

冷弯薄壁工字形梁作为一种钢梁结构，广泛运用于冷弯薄壁型钢结构与住宅中。其拼接梁结构具有安装灵活、方便运输、储存、安装等优势。但是受初始缺陷、局部屈曲、整体屈曲、平面外失稳等材料及相关作用的影响，使理论分析、试验研究的进行相当困难。周绪红、石宇等[1-3]采用试验和有限元方法对冷弯薄壁卷边槽组合工字型梁的材料强度、受弯性能、腹板高厚比、板件宽度以及梁长进行了分析，并提出了钢材种类、受压翼缘宽厚比对受压翼缘有效宽厚比的影响较大和计算冷弯薄壁卷边槽钢组合工字型梁极限承载力的计算方法。但是冷弯薄壁拼接工字梁很少有人研究，本文通过有限元模拟对冷弯薄壁拼接工字梁的极限承载力及跨中位移进行分析。

1    梁模型的尺寸

为了探究腹板、翼缘厚度对极限承载力的影响，分别建立了如表1中4种不同截面的模型，并利用ABAQUS对这4种模型进行数值分析。梁体横截面如图1所示。

2    有限元建模过程

2.1  模型建立、材料及接触定义

采用大型结构分析软件ABAQUS对梁模型进行分析，选用弹性壳单元shell模拟冷弯薄壁拼接梁。假定冷彎薄壁型钢梁为线弹性材料，取弹性模量E=2.06×1011，泊松比v=0.3。由于在极限承载力作用下，腹板翼缘不至于出现开裂现象，故翼缘腹板之间的接触采用绑定接触。

2.2  边界条件、荷载

模型的边界约束条件为：约束梁右段下边缘在X，Y方向的线位移U1，U2和左端下边缘在X，Y，Z方向的线位移U1，U2，U3。荷载采用两点加载（三分点）。约束条件如图2所示。

3    结果对比

3.1  侧向支撑对承载力的影响

为了研究侧向支撑对钢梁的影响，设置了两种加侧向支撑的方式，分别为全支撑和部分支撑。结果表明，当钢梁材料、跨度一样、截面尺寸都相同，仅改变钢梁的侧向支撑数量，钢梁发生侧向扭曲失稳即丧失稳定性的临界荷载有较大的影响。钢梁在全支撑情况下，侧向支撑限制了梁的侧向位移，有效提高了梁的承载力;钢梁在部分支撑情况下，由于侧向支撑减少，不能充分地限制钢梁的侧向位移，出现“S”型扭转，梁体变形如图3所示，钢梁由于侧向位移过大，导致其丧失承载力。

3.2  翼缘厚度对变形的影响

通过数值差对比翼缘厚对竖向变形的影响：钢梁选用同为2 mm厚腹板和分别选用4根2 mm，5 mm厚的翼缘进行拼接，即1#梁和2#梁，前者在11.5 kN竖向力时，竖向位移为2.93 cm，后者在11.5 kN竖向力时，竖向位移为1.18 cm;在同为5 mm厚腹板的情况下，即3#梁和4#梁，前者在70 kN时，竖向位移为9.8 cm，相同竖向力，后者竖向位移为5.6 cm。通过数值差很容易看出，翼缘厚度的增大可以有效限制竖向变形。

3.3  腹板厚度对变形的影响

通过数值差对比腹板厚度对竖向变形的影响：钢梁选用同为2 mm厚的翼缘和分别选用4根2 mm，5 mm厚的腹板进行拼接，即1#梁和3#梁，前者竖向位移为2.93 cm时，竖向力为11.5 kN，相同竖向位移下后者承载力为18.4 kN;在同为5 mm厚翼缘的情况下，即2#梁和4#梁，前者竖向位移为3.44 cm，对应的竖向力为25.8 kN，同为3.44 cm竖向位移，后者竖向力为42.5 kN。通过对同条件不同腹板厚的钢梁对比，说明腹板厚度的增大可以很好地限制梁的竖向变形。

4    结语

文章通过模拟不同厚翼缘、腹板的冷弯薄壁型工字型钢梁，结果表明：翼缘厚度对竖向位移的限制有显著提高，也在一定程度上限制了侧向位移，提高了钢梁的承载力。钢梁其受荷情况仅为单一的荷载，即仅在上部翼缘承受集中荷载，在工程实践中，钢梁作为受弯构件承受荷载一般较多，工况复杂，可能同时存在横向均布荷载、横向集中荷载、端弯矩以及偏心荷载等作用，所以针对两种或多种荷载下新型截面形式钢梁的稳定性研究是冷弯薄壁型工字型钢梁研究的一个重要方向。

[参考文献]

[1]周绪红，石宇.低层冷弯薄壁型钢结构住宅体系[J].建筑科学与工程学报，2005（2）：2-14.

[2]石宇，周绪红.冷弯薄壁卷边槽钢组合工字梁极限承载力[J].土木工程学报，2011（6）：9-17.

[3]周绪红，管宇.双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯性能研究[J].土木工程学报，2016（8）：17-27.

Abstract：With the development of large-scale finite element software， the accuracy and efficiency of the structure are greatly improved， so the finite element simulation is used to analyze the cold-formed thin-walled splicing I-beam. In the steel structure， the steel beam is the main flexural member， the section form is mostly I-shaped， on the basis of I-shaped section， splicing section is adopted. This paper in order to study the mechanical properties of cold-formed thin-walled spliced beams， four kinds of steel beams with different sections are simulated by finite element method. Through the analysis of the finite element simulation results， the effects of webs and flanges on bearing capacity were explored.

Key words：cold-formed thin-walled steel; I-shaped; web; flange