新型截面冷弯薄壁型钢轴心受压构件稳定性能探究

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1、新型截面冷弯薄壁型钢轴心受压构件稳定性能探究　　提要：为了研究板件中间加劲复杂卷边槽钢这类复杂截面轴心受压构件的稳定性能，本文分别对普通卷边槽钢、复杂卷边槽钢、Σ形复杂卷边槽钢、腹板中间V型加劲复杂卷边槽钢等四种截面形式、两种厚度、三种长度共计24根轴压简支柱进行了非线性有限元分析。研究了此类复杂截面轴压构件的极限承载力、失稳模式及变形等特性。有限元分析结果表明，板件中间加劲肋的存在对轴压构件的极限承载力和失稳模式影响显著。Σ形截面及板件中间V型加劲截面有效地减小了板件宽厚比，大幅度提高了轴压构件的稳定承载力。关键词：板件中间加劲；复

2、杂卷边槽钢；畸变屈曲；极限承载力；有限元分析中图分类号：TU74文献标识码：A1.引言5随着冷弯型钢生产状况的逐步改善和设备生产能力的日益提高，产生了许多新的截面形式[1]，材料也向着超薄、高强的方向发展，使得冷弯薄壁型钢结构变得更加高效、轻质。其中，通过改变截面形式能够有效地提高钢材的利用率，在钢材面积基本不变的情况下，使构件的承载力得到了很大的提高。然而，独特的几何外形可能导致畸变屈曲模式在此类构件的破坏过程中起主导作用[2]。各国现行规范中普遍采用的“有效截面法”没有考虑畸变屈曲对构件承载力的影响。当前，受到国内外广泛关注的冷弯

3、型钢承载力设计新方法“直接强度法”(DirectStrengthMethod简称DSM)有效地解决了这一问题[3,4]。本文设计了四种截面形式，两种厚度，三种长度共计24根试件，采用ANSYS对其进行了有限元模拟分析。为后续工作提供了参考。2.参数选取与构件编号说明本文选取了700mm、1250mm和1800mm三种构件长度(短试件长度的确定参照了美国结构稳定研究委员会(SSRC)的建议[5])；两种板件厚度(t为1mm、2mm)。所有截面的腹板外廓尺寸H均取为228.28mm，翼缘外廓尺寸为B=90mm，一次卷边外廓尺寸为d=25m

4、m，二次卷边外廓尺寸为a=15mm，加劲肋外廓尺寸为s=20mm，其余各板件宽度见图1，取板件交线处的弯曲内径r＝t，钢材屈服强度（fy)均取为390MPa，弹性模量(E)取为2.06×105MPa，泊松比(υ)取为0.3。4.结果分析1)屈曲模式分析5通过表1可以看出来，普通卷边截面和复杂卷边截面的失稳模式是局部屈曲，而随着板件中间加劲肋的设置，使板件的宽厚比减小，提高了局部屈曲临界力，畸变屈曲将起主要控制作用。Σ形复杂卷边截面的失稳模式主要是畸变屈曲，腹件中间V型加劲复杂卷边截面的失稳模式是局部屈曲和畸变屈曲。2)极限承载力分析由

5、以上结果可以看出，同一截面的构件，随着长度的增加，承载力逐渐降低，且不同厚度的构件承载力下降趋势大致相同。为方便比较不同截面形式构件的承载能力，本文将构件的承载能力与构件截面面积的比值定义为承载效率。由于不同长度的承载力不同，故取三种长度构件承载力的平均值来作比较。当厚度t=1时，普通卷边截面比复杂卷边截面的承载效率降低了0.6%；Σ形截面比复杂卷边截面的承载效率提高了94.2%；腹件中间V型加劲复杂卷边截面比复杂卷边截面承载效率提高了37.2%。当厚度t=2时，普通卷边截面比复杂卷边截面承载效率降低了1.3%；Σ形截面比复杂卷边截面

6、截面承载效率提高了74.7%；腹件中间V型加劲复杂卷边截面比复杂卷边截面承载效率提高了44.1%。在这里将两种厚度取平均值，Σ形截面比复杂卷边截面截面承载效率提高了84.5%；腹件中间V型加劲复杂卷边截面比复5杂卷边截面截面承载效率提高了40.7%。由此可见，板件中间加劲类的设置虽然增加了少量用钢量，但能明显提高构件的承载力和钢材的利用率，经济效益显著。表1构件有限元分析结果注：破坏模式中L表示局部屈曲，D表示畸变屈曲，F表示整体屈曲。5.结论本文对24个高强冷弯薄壁复杂卷边槽钢轴压简支构件进行了非线性有限元分析，研究了构件截面形式、

7、长度、厚度对此类构件稳定性能的影响，得到以下结论：1）普通卷边截面和复杂卷边截面的失稳模式为局部屈曲，而随着板件中间加劲肋的设置，Σ形截面和腹件中间V型加劲复杂卷边截面的构件较易发生畸变屈曲。在对这类构件的设计中，畸变屈曲将起主要控制作用。2）Σ形截面和板件中间V型加劲肋能有效地减小板件宽厚比，明显提高构件的承载力和钢材的利用率。有限元分析结果表明，与相同长度、相同厚度的复杂卷边槽钢相比，采用Σ形截面的轴压构件承载力将提高84.5%，采用板件中间V型加劲的轴压构件承载力将提高40.7%。参考文献[1]S.Narayanan，M.Mah

8、endran.Ultimatecapacityofinnovativecold-formedsteelcolumns.JournalofConstructionalSteelResearch.2003,(59):489-