冷弯薄壁槽钢柱畸变屈曲的有限元分析及一种控制措施

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1、冷弯薄壁槽钢柱畸变屈曲的有限元分析及一种控制措施顾建飞1姚谏1钱国桢2（1．浙江大学土木工程系，杭州310027；2．杭州天元建筑设计研究院，杭州311201）摘要:冷弯开口薄壁型钢构件的失稳模式主要有三种：局部屈曲，畸变屈曲，整体屈曲（弯曲失稳或弯扭失稳）。但对于冷弯薄壁槽钢而言，畸变屈曲通常起控制作用。本文利用有限元分析了冷弯薄壁卷边槽钢在轴向压力和对称平面内弯矩共同作用下的受力性能，并提出了一种能有效防止构件发生畸变屈曲的方法，供工程设计参考采用。关键词:冷弯薄壁型钢卷边槽钢畸变屈曲有限元分析FiniteElementAnal

2、ysisandOneSolutiontoDistortionalBucklingofCold-FormedChannelColumnsGUJianfei1，YAOJian1，QIANGuozhen2（1．DepartmentofCivilEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，China；2．HangzhouTianyuanArchitecturalDesignandResearchInstitute，Hangzhou311201，China）Abstract:Opencross-

3、section,thin-walled,cold-formedsteelcolumnshaveatleastthreecompetingbucklingmodes:local,distortional,andflexural-torsionalbuckling.Forcold-formedlippedchannelsections,thedistortionalbucklingmodeisoftenthestrength-governingmodeamongtheseveralpossiblebucklingmodes.Thisar

4、ticleusesthefiniteelementanalysistoinvestigatethestrengthsandbehaviorofcold-formedlippedchannelcolumnssubjectedtocombinedaxialcompressionanduniaxialbendingintheplaneofsymmetry，andprovidesaeffectivesolutionforpreventingchannelcolumnsfromdistortionalbuckling.Keywords:col

5、d-formedsteel；lippedchannels；distortionalbuckling；finiteelementanalysis0前言随着材料科学的发展，钢材的强度不断提高，冷弯型钢的壁厚变得越来越薄，因此当用作柱或梁时，很容易发生局部屈曲和畸变屈曲。畸变屈曲与局部屈曲不同，是压应力作用下连接截面上各板单元的纵向棱线间产生相对位移而导致构件整体承载力降低的一种屈曲模式。对于应用较广的卷边槽钢而言，畸变屈曲的模式就是翼缘连同卷边一起绕着腹板和翼缘的连接点发生旋转，截面轮廓发生了改变，如图1b所示。国外对于畸变屈曲的研究起

6、步较早，并且取得了一些理论性的成果。国外学者Lau和Hancock等人研究了冷弯薄壁槽钢在轴心荷载作用下的畸变屈曲和受弯作用下的畸变屈曲，建立了简化计算模型，并提出了相应的畸变屈曲荷载的计算公式[1-2]，并已被澳大利亚和新西兰国家规范采用。最近我国学者滕锦光和姚谏等人又把上述方法推广应用到压弯构件中，并提出了冷弯薄壁槽钢在轴向压力和单向弯矩（在对称平面内受弯）共同作用下的畸变屈曲荷载的计算公式[5]。Davies和Leach等人利用广义梁理论也得出了一些畸变屈曲荷载的计算公式[3-4]。此外，还有研究人员利用有限元（条）方法和试验

7、方法对畸变屈曲进行了研究[7-9]。畸变屈曲和局部屈曲模式一样，会导致结构承载力的明显降低并危害结构的整体安全，所以在工程设计中必须采取措施加以防范。我国学者陈绍蕃通过对卷边槽钢的局部相关屈曲和畸变屈曲的研究发现，对于冷弯薄壁卷边槽钢而言，截面的高宽比、卷边宽度和高厚比这三个参数对于槽钢的畸变屈曲有着很大的影响，当截面的高宽比大于1.6且卷边具有足够宽度时，畸变屈曲的应力一般都大于局部屈曲的应力，当高厚比较小时，畸变屈曲一般也不会发生。5所以用限制截面尺寸的方法来控制畸变屈曲的发生是一个非常有效的方法，我国的卷边槽钢的规格中的腹板高

8、度和翼缘宽度的比值为2~3，所以畸变屈曲一般不起控制作用，建议规范中把局部屈曲和畸变屈曲结合在一起考虑应是简单可行的[7]。但在其它很多情况下，畸变屈曲通常起着控制作用，即畸变屈曲应力要低于局部屈曲应力[5]。随着社会的不断发展，冷弯