宽厚比对钢板轴向受压承载力影响有限元分析

赵军

（凯里学院 建筑工程学院，贵州 凯里556000）

随着我国城市化的推进和工业化的发展，钢板因其强度高、质量轻、集成化生产、施工速度快等众多优点在建筑、医疗、船舶等行业应用愈加广泛，由于钢板强度高、质量轻、施工简便、工期短，广泛应用于大跨度结构、高层建筑、船舶甲板、飞机舱体等结构里。目前对钢板受弯受剪承载力的研究较多，而钢板轴向受压屈曲破坏的研究少之又少，在一定程度上制约了钢板结构的发展。钢板的轴向受压承载力受钢板厚度、宽度、强度等级、边界条件、残余应力等诸多因素影响，而本文主要研究钢板宽厚比对钢材轴向受压承载力的影响。

在宽厚比对钢板轴向受压承载力实验研究的基础之上，用ABAQUS 模拟钢板在轴向受压情况下钢板屈曲破坏分析，与实验结果进行比较，验证有限元模拟分析的的准确性，同时为钢板轴向受压承载力研究提供理论基础。

1 单元选取及模型建立

图1 钢板轴向受压示意图

图2 钢板轴向受压有限元建模图

表1 实验样本材料构件参数

为考虑不同宽厚比对钢板轴向受压条件下的影响，Bradfied实验抽取由宽厚比为25 至70 轴向受压钢板共14 组样本，每个样本钢板边界条件为简支撑。为定量分析研究钢板在不同宽厚比下轴向受压影响，所有钢板均采用同样简支撑边界条件，钢板厚度均为6mm,长度为宽度的4 倍，理论屈服强度、极限强度、杨氏模量、泊松比均相同。在长边方向施加轴向压力，观察其屈曲变形直至破坏整个过程，测得屈服强度及极限强度。实验物理模型和ABAQUS 建模如图1 和图2。

样本序号根据样板特点命名，比如25S 1U，25 是宽厚比；S为简支撑；1 为初始挠度与宽度的比值（Δ/b=0.001）；5 为初始挠度与宽度的比值（Δ/b=0.005），U 为无焊缝钢板。

2 实验值与有限元模拟数值对比分析

经过有限元模拟分别得出钢板的极限抗压强度和屈服强度的比值（óm/ó0）FEA与Bradfied 实验极限强度和屈服强度比值（óm/ó0）EXP进行对比分析，不难发现，钢板轴向受压条件下有限元分析值与实验值偏差平均保持在10%左右，同时，极限强度随着宽厚比的的增大而逐渐减小，具体分析结果如下：

表2 实验与有限元结果分析

3 结论

3.1 通过ABAQUS 有限元模拟得出的简支钢板轴向压力下的极限强度与屈强度比值，同时与Bradfied 实验数值进行比较。几何形态、材料性能、边界条件等参数均与实验样本相同，其破坏特征与实验破坏现象基本相吻合。

3.2 钢板轴向受压承载力有限元模拟值与实验值之间存在约10%的偏差，这种偏差在可能来源于实验钢板的残余应力所致，再者由于实验为非理想状态，实验人员难以设置与有限元模拟完全一致的边界条件，而ABAQUS 有限元模拟忽略了残余应力的影响及边界条件理想化，所有导致实验数值与有限元模拟数值的偏差，然而平均偏差值仅为10%左右，表明简支钢板轴向压力下的极限强度及屈服强度有限元模拟符合实际情况，验证了简支钢板在轴向压力下承载力随着高宽比增大而减小的准确性。

3.3 钢板轴向受压承载力进行有限元模拟分析，在不同的高宽比条件下得出的极限强度、屈服强度的比值逐渐减小，说明钢板的极限承载力随着其宽厚比增大而减小，为优化钢板在轴向压力下的受力性能研究提供理论基础。