LQ550高强冷弯型钢偏载柱稳定性能分析

2023-12-28黄金炳周临奇陈涛中国建筑第八工程局有限公司上海200000

安徽建筑 2023年12期

黄金炳，周临奇，陈涛（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

高强冷弯薄壁型钢在国外已广泛应用于低层住宅和门式钢架等建筑体系中，而在我国的发展虽起步较晚[1]，但凭借其高强、超薄、塑性低、延性差以及截面复杂多样等特点在我国得到了快速的发展[2]，已逐渐应用于梁、板、柱等承重构件以及桁架、檩条、龙骨和门窗等次要构件中。试验表明冷弯薄壁型钢在受外力载荷时，常出现局部屈曲、O-O/I-I/O-I 形式的畸变屈曲以及整体屈曲三种屈曲失效模式[3-6]。现行的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）中对冷弯薄壁型钢的相关规定主要集中于Q235 和Q345 的钢材，而对于高强冷弯薄壁型钢的相关规定还没有具体的说明。此外，随着人们对冷弯薄壁型钢性能要求的不断提高，冷弯薄壁型钢构件在受力时并不受理想状态下的轴压，而大多受小偏心或大偏心状态下的偏压，有时还需要对构件进行开孔处理[7]，以便于管道和电线等设施通过。以往的学者对高强冷弯薄壁型钢的研究多集中于轴压构件[8-12]，而对于腹板开孔的高强冷弯薄壁型钢柱在偏载作用下的力学性能的相关研究较少[13]。因此为促进高强冷弯薄壁型钢的广泛应用，对腹板开孔的高强冷弯薄壁型钢在偏载作用下的力学性能做进一步深入研究是非常必要的，也为相关规范的完善和修改提供参考，具有重要意义。

1 有限元模型验证

1.1 有限元模型建立

本文以徐雯凌[15]的试验为基础，选取试验中的5 个构件进行数值分析。选取S4R四面体曲面壳单元对试件进行建模，以试件长度的1/1000 作为最大初始缺陷，通过对比3mm、5mm 和8mm 宽度网格试件的承载力，考虑到时耗和分析结果的准确性等因素，最终选取5mm宽度网格对试件进行划分，试件的截面尺寸采用实际尺寸，其它相关材料属性均与试验一致。

1.2 有限元模型验证

将试验中部分试件的试验结果与数值模拟所得结果进行对比，结果见表1和图1。经对比分析可知试验值与模拟值相差均在4%以内，试件发生的屈曲失效模式基本相同。结果表明有限元分析法能够有效地分析腹板开孔的高强冷弯薄壁型钢柱的力学性能。

表1 有限元模拟与试验承载力对比

图1 有限元模拟与试验屈曲失效对比

2 腹板开孔压弯构件有限元模拟分析

2.1 构件腹板开孔设计

试件开孔位置如图3所示，R为孔洞半径；试件的截面尺寸如图2 所示，当载荷作用在X 正半轴时为正偏压，反之为负偏压，载荷作用点与形心的距离为偏心距的大小；试件按如图4 所示的编号规则进行编号，其中H 为腹板宽度，B 为翼缘宽度，D为卷边宽度，P为开孔率，即孔洞直径与腹板宽度的比值，±表示正负偏心。

图2 试件截面尺寸示意图

图3 试件开孔位置示意图

图4 试件编号规则示意图

2.2 孔洞对构件屈曲失效模式及承载力分析

2.2.1 开孔构件与未开孔构件对比分析

为探究孔洞对试件屈曲失效模式及承载力的影响，选取部分试件的模拟结果进行对比分析，见表2。分析可知，开孔试件与未开孔试件的屈曲失效模式基本相同，即在正偏心处发生O-O 或I-I形式的畸变屈曲失稳，在负偏心位置处发生局部屈曲失稳，且两者都伴有整体屈曲失稳，此外，对于卷边宽度较大的试件出现只发生局部屈曲失稳的反常现象；未开孔试件的极限承载力大于开孔试件的承载力，但个别开孔试件出现承载力不减反增的反常现象。此外，分析还发现开孔试件与未开孔试件承载力相差不大，试件在受小偏心载荷时，未开孔试件只发生局部屈曲失稳，而开孔试件发生局部-整体相关屈曲失稳。

表2 承载力及屈曲失效模式对比分析

2.2.2 开孔率对构件稳定性能的影响分析

为探究开孔率对构件稳定性能的影响，选取构件截面尺寸为长度600mm、腹板宽度90mm、翼缘宽度40mm、卷边宽度8mm、厚度1mm。在受正偏心载荷时，通过改变孔洞率的大小，探究孔洞率的变化对构件的承载力、荷载位移曲线以及屈曲失效模式的影响，见图5-图7。由图5 可知，构件在受负偏心载荷时，孔洞率的增加提高了构件承载力；构件在受正偏心载荷时，孔洞率的增加降低了试件承载力。由图6 可知，构件在受负偏心载荷时，孔洞率的增加使构件的荷载位移曲线上升斜率逐渐增大；构件在受正偏心载荷时，未开孔构件的荷载位移曲线上升斜率大于开孔构件的荷载位移曲线上升斜率，小孔洞率与大孔洞率构件的荷载位移曲线上升斜率基本相同。由图7 可知，构件在中上部发生I-I 形式的畸变屈曲，在构件中下部发生O-O 形式的畸变屈曲。此外，孔洞率的增加加重了构件发生畸变屈曲失稳的变形程度。

图5 开孔率对承载力的影响

图6 开孔率对荷载位移曲线的影响

图7 开孔率对屈曲失效模式的影响

2.2.3 偏心距对构件稳定性能的影响分析

为探究偏心距对构件稳定性能的影响，所选取的截面尺寸与上节相同，见图5、图6和图8所示。由图5可知，偏心距的增加降低了构件极限承载力，且相比负偏心处的荷载下降幅度，在正偏心处的荷载下降幅度更大，此外，在正偏心处构件的承载力出现上下波动的现象。由图6 可知，正负偏心距的增加降低了荷载位移曲线上升斜率，且在正偏心处的荷载位移曲线上升斜率小于在负偏心处的荷载位移曲线上升斜率。由图8 可知，偏心距的存在改变了构件的屈曲失效模式，当偏心距为+20mm 时，构件发生O-O 形式的畸变屈曲失稳；当偏心距为+10mm 时，构件中上部和中下部分别发生I-I形式和O-O 形式的畸变屈曲失稳；当构件受轴向载荷和负偏心载荷时，构件发生局部屈曲失稳，且变形程度基本相同。

图8 偏心距对屈曲失效模式的影响

2.2.4 腹板宽度对构件稳定性能的影响分析

为探究腹板宽度对构件稳定性能的影响，选取构件截面尺寸为试件长度600mm、翼缘宽度40mm、卷边宽度8mm、开孔率0.3、厚度1mm。当试件受偏心距为+10mm 的载荷时，通过改变试件腹板宽度来探究其对试件力学性能的影响，如图9-图11所示。由图9可知，腹板宽度的增加提高了构件极限承载力，且腹板宽度在70～110mm 和110～180mm 时，承载力与腹板宽度近似呈一次线性关系。由图10 可知，腹板宽度的增加提高了构件荷载位移曲线上升斜率，且腹板宽度为110mm 和130mm 时，曲线上升斜率相差较大。由图11 可知，腹板宽度的增加改变了构件的屈曲失效模式，且逐渐减小畸变屈曲变形程度。

图9 腹板宽度对承载力的影响

图10 腹板宽度对荷载位移曲线的影响

图11 腹板宽度对屈曲失效模式的影响

2.2.5 翼缘宽度对构件稳定性能的影响分析

为探究翼缘宽度对构件稳定性能的影响，选取截面尺寸为试件长度600mm、腹板宽度90mm、卷边宽度8mm、开孔率0.3、厚度1mm。当试件在受偏心距为+10mm 的载荷时，通过改变翼缘宽度来探究其对试件力学性能的影响，如图12-图14 所示。由图12可知，当翼缘宽度在20～60mm 时，承载力与翼缘宽度呈正相关；当翼缘宽度在60～100mm 时，承载力与翼缘宽度呈负相关。由图13 可知，翼缘宽度的增加提高了荷载位移曲线的上升斜率，此外，当翼缘宽度为80mm 时，出现荷载位移曲线上升斜率减小的反常现象。由图14可知，翼缘宽度的增加改变了试件的屈曲失效模式，当翼缘宽度为20mm 和40mm 时，试件在中上部和中下部分别发生I-I形式和O-O 形式的畸变屈曲失稳；当翼缘宽度为60mm 和80mm 时，在试件中部发生O-O 形式的畸变屈曲失稳；当翼缘宽度为100mm 时，试件两翼缘发生O-I形式的畸变屈曲失稳。

图12 翼缘宽度对承载力的影响

图13 翼缘宽度对荷载位移曲线的影响

图14 翼缘宽度对屈曲失效模式的影响

2.2.6 卷边宽度对构件稳定性能的影响分析

为探究卷边宽度对构件稳定性能的影响，选取截面尺寸为构件长度600mm、腹板宽度90mm、翼缘宽度40mm、开孔率0.6、厚度1mm。当构件受偏心距为+20mm 的载荷时，通过改变卷边宽度以探究其对构件力学性能的影响，如图15-图17 所示。由图15 可知，卷边宽度与承载力近似呈一次线性关系，承载力随卷边宽度的增加而增大。由图16 可知，当卷边宽度在4～14mm时，荷载位移曲线随卷边宽度的增加而增大，当卷边宽度达到14mm 后，卷边宽度的增加对荷载位移曲线上升斜率影响较小。由图17 可知，卷边宽度的增加改变了构件屈曲失效模式，随卷边宽度的增加，试件由原来在构件中上部和中下部分别发生I-I形式和O-O 形式的畸变屈曲失稳逐渐转变为在试件中上部或中下部发生O-O 形式的畸变屈曲，最后转变为局部屈曲失稳。