工字钢倾覆稳定性和压弯构件的稳定性计算分析

1、Ansys 对工字钢倾覆稳定性和压弯构件的稳定性计算分析受弯构件件和压弯杆件广泛应用于工程中,本报告通过 ansys 软件对这类杆 件进行分析,对于轴心受压杆件,运用 beam189、 shell63单元,进行弹性稳定分 析,得到其屈曲荷载和变形情况,通过和理论值相比较,验证其正确性。1前言钢材具有高强度、 质轻、 力学性能良好的优点, 是制造结构物的一种极好的 建筑材料, 所以广泛运用于工程实例中, 它和钢筋混凝土结构相比, 对于充任相 同受力功能的构件, 具有截面轮廓尺寸小、 构件细长和构件柔薄的特点。 对于因 受压、 受弯和受剪等存在受压受压区的构件或板件, 如果技术上处理不当, 可能

2、使钢结构出现整体失稳或局部失稳。 失稳前结构物的变形可能很微小, 突然失稳 使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力,以致整体塌落。 钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要的因素。 对于钢结构稳定性的 研究也就极其重要。 而轴压杆件和压弯杆件是钢结构的基础, 对此杆件进行稳定 性分析也就是不可避免的和尤为重要的。 所以, 非常有必要利用大型通用 ANSYS 软件对这类杆件进行分析,得到一系列的研究成果。2基本理论结构在荷载作用下由于材料的弹性性能而发生变形, 若变形后结构上的荷载 保持平衡, 这种状态称为弹性平衡。 如果结构在平衡状态时, 受到扰动而偏离平 衡位置, 当扰动

3、消除后仍能恢复到原来平衡状态的, 这种平衡状态称为稳定平衡 状态。 根据构件屈曲后的变化, 目前结构的稳定类别可以分为平衡分岔失稳, 极 值点失稳和跃越失稳三种情况。结构的弹性稳定分析属于平衡分岔失稳, 在 ANSYS 中对应的分析类型是特 征值屈曲分析。关于特征值屈曲分析有以下说明:1. 分析对结构临界失稳力的预测往往要高于结构实际的临界失稳力, 因此在 实际的工程结构分析时一般不用特征值屈曲分析2. 特征值屈曲分析能够预测临界失稳力的大致所在, 可以为非线性屈曲分析 及其他试验提供依据3. 特征值屈曲分析所预测的结果我们只取最小的第一阶4. 特载值分析得到的是第一类稳定问题的解, 只能得到

4、屈曲荷载和相应的失 稳模态,它的优点就是分析简单,计算速度快。3计算实例分析3.1 构件尺寸依据根据 GB 50017-2003钢结构设计规范符合下列情况之一时,可不计算梁的整体稳定性:1. 有辅板(各种钢筋混凝土板和钢板密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连, 能阻止梁受压翼缘的侧向位移时。 本次有限元分析采用 Q345工字钢, 荷载作用在上翼板, 采用 l 1/b1大于 10.5, 确保结构可能发生失稳。根据 结构设计原理 中公路人以及弹性稳定理论, 考虑翼缘板对腹板的嵌 固作用和钢板的初始缺陷影响,推导知当 h w /tw 大于 136(Q345钢时,梁才发 生弯曲失稳。故参照 JTJ025

5、-86公路桥规规定,本有限元分析在不设置加劲 肋条件下,选用高厚比小于等于 60,以保证梁的腹板不发生局部失稳。3.2 有限元分析结构选择采用两端简支的工字钢, 截面尺寸分别于下表所示, 计算长度 l 1为 20m , 取 弹性模量 E=210Gpa,剪切模量 G=79Gpa,利用 ansys 软件求解杆的弹性弯曲屈 曲临界失稳荷载值。改变翼缘厚度 不同高厚比 压弯构件尺寸选取: 压杆截面尺寸:250mm*250mm,壁厚为 10mm ,长度为 10m ;加劲肋厚度 10mm 。高度分别为 10mm,20mm,30mm,50mm 。边界条件为两端铰支。3.3 理论值计算公式对薄壁工字形截面梁

6、, 在不同荷载作用下的临界弯矩采用以下公式计算 式中 GJ 、 EI w 分别为截面侧向抗弯刚度和自由扭转刚度、 1、 2、 3为 与荷载相关的系数, 其值见表; a 为横向荷载作用点至剪切中心的距离 , 荷载在剪 切中心以上为正值 , 反之为负值 ; y 表征截面不对称特性。 3.4 有限元建立Beam189单元Finish/cle/prep7et,1,beam189,1sectype,1,beam,i,2secoffset,centb=0.48$h=2.000$t1=0.032$t2=0.016$l=20$f=-1secdata,b,b,h,t1,t1,t2mp,ex,1,2.06e11$

7、mp,gxy,1,7.9e10$mp,dens,1,7850k,1$k,2,l/2$k,3,l$k,4,l/2,l/2$l,1,2$l,2,3latt,1,1,4,1$lesize,all,30$lmesh,alldk,1,ux,uy,uz,rotz$dk,3,ux,uy,rotzfk,2,fy,f/view,1,1,1,1$/eshape,1 Shell63单元:Finish/clear/prep7l=20$w=0.48$tw=0.04$tf=0.016$h=1et,1,shell63mp,ex,1,2.06e11$ mp,prxy,1,0.3blc4,l,h$wprota,-90$wpof

8、f,tw/2$blc4,l,w/2 agen,2,2,0,h-tw$agen,2,2,3,1,w/2$aglue,all$numcmp,all r,1,tf$r,2,tw$asel,s,1$latt,1,1,1$asel,s,2,5,1$latt,1,2,1 allsel,all$esize,0.2$mshkey,1$amesh,alllsel,s,loc,x,0dl,all,ux$dl,all,uy$dl,all,uz$dl,all,rotx$dl,all,roty lsel,nonelsel,a,loc,x,l$dl,all,ux$dl,all,uy$dl,all,rotx$dl,all,

9、roty allsel,allnsel,s,loc,y,h$nsel,r,loc,x,l/2$f,all,fy,-1 allsel,all 采用 shell63单元: 薄壁压杆结果分析 加劲肋厚度 理论值 beam189 shell63 0 1876 1870 1907 10 1925 1923 2072 20 1966 1964 2039 30 2025 1997 2023 50 2045 2043 以上 shell 单元结果由于边界条件错误，故与实际趋势相反，并未列入下图。 压杆加劲肋有限元分析 2050 2000 1950 临界压力 1900 1850 1800 1750 加劲肋厚度 0

10、 10 加劲肋厚度 20 30 beam189 理论值 理论值 beam189 4 结论分析 1.随着翼板宽厚比和腹板高厚比的增加，结构的整体稳定性增加； 2.在压杆稳定中，增加加劲肋可以提高结构的稳定性； 3.shell63 单元由于边界条件较难模拟，与理论值有所偏差，但其利用特征值 屈曲分析所得到的屈曲荷载是基本相同或符合理论规律； 4.Ansys 有限元对结构的数值分析与公式所得的理论值较为吻合，具有一定 的参考价值，其误差也处于可接受范围。 4.1 附加结构模拟分析 选用 Ansys Beam189 单元，以下截面形式求屈曲特征值 本例为上翼缘宽 60cm，下翼缘宽 30cm，凭借 Ansys 分析的可行性，对增加稳定性措施 的研究。 如图所得临界荷载为 4741Mpa 明显大于上下对称翼板宽度为 0.48m 的结果 4196Mpa。 本例中上下翼缘宽度相加为 0.9m，小于前者的 0.96m，相反却提高了结构的稳定性。 4.2 附加模拟结论 结构的稳定除了提高宽厚比，高厚比，以及设置横向支撑之外，可以适当放 宽上翼缘， 在不额外增加构件的材料使用量的同时提高构件的稳定性，是个有效 的办法。 参考文献 1陈骥. 钢结构稳定理论与设计(第四版M. 北京: 科学出版社,