热轧角钢轴压构件的稳定承载能力分析

1、热轧角钢轴压构件的稳定承载能力分析1国内外规范的规定国产热轧角钢分等边与不等边两类。单角钢轴压构件截面的形心与剪心相偏离,进行工程设计时需要按照弯扭屈曲计算其承载力,考虑扭转与弯曲的耦合作用,以避免安全隐患。由于长细比、初始缺陷及截面性质等条件的影响,不同截面的受压构件的稳定承载力有很大差别,同一截面的受压构件绕不同形心轴的稳定承载力亦有很大差别。我国钢结构设计规范(GB 50017-2003)1对于等边单角钢压杆绕对称轴失稳采用换算长细比,缺陷按弯曲失稳对待(规范中yz与本文中yw意义相同。轴心受压构件的承载力,需要满足构件整体稳定与板件局部稳定。针对板件的受力特点及其在构件中所起的作用,目

2、前板件的局部稳定有两种不同的设计方法:一是保证板件的屈曲荷载不低于构件的极限荷载,即保证构件在整体失稳之前不发生局部失稳;二是允许板件失稳先于构件整体失稳,考虑板件屈曲后强度。钢结构设计规范（GB50017-2003）采用第一种方法,对板件宽厚比进行限制。轧制型钢板件宽厚比较小,一般不会发生局部失稳,因此只对单角钢构件的整体稳定进行分析。2有限元分析2.1钢材应力-应变关系钢材采用双线性等向强化的应力-应变关系,如图1所示。Et为材料强化模量,取Et=0.02E。2.2有限元模型运用大型通用有限元程序ANSYS进行分析,构件采用beam188单元。该单元为有限应变直梁单元,以充分考虑大应变的情

3、况,并能够准确分析构件的整体失稳问题。构件沿长度方向划分为10个单元。本文研究的热轧角钢截面在弧角处厚度发生变化,所以采用自定义截面的方法来模拟角钢的圆弧角。整个截面划分为11个单元,如图2。2.3边界条件边界条件定义为两端铰接,即两端节点没有垂直于轴向的位移及绕纵轴的扭转;约束构件一端的纵向位移,以保证结构为静定;翘曲自由度在构件两端均不约束,以保证节点的自由翘曲。轴力为集中荷载,施加在构件另一端,不约束纵向位移。2.4初始缺陷有限元分析时考虑几何非线性和材料非线性,计入初始几何缺陷和残余应力的影响。初始几何缺陷(初偏心与初弯曲)的幅值按构件长度的千分之一考虑,在前处理中用UPCOORD命令

4、来施加。初始材料缺陷(残余应力)按图3的分布规律3编制initial-stress.IST文件,并预先引入工作目录,计算前读取。Architectural and Structural Design2.5角钢型号选取和极限荷载计算选取6组(共12个)试件,每组包含2个截面型号:L563与L568,L1006与L10016,L20014与L20024,L56363与L56365,L75505与L755010,L20012512与L20012518。这12个截面基本涵盖了等边和不等边角钢的所有不同的宽厚比和截面尺寸，可以保证分析的问题具有代表性。绕非对称轴(弱轴)的长细比选取11个值(从20至22

5、0，均相差20)，再由换算长细比yw(或xyw)和截面的回转半径可以反推出构件的计算长度。通过ANSYS计算得到每一种截面在每一长细比的荷载-位移关系，从中找到极限荷载(极值点)。2.6计算结果分析图4给出了L563荷载位移曲线和构件破坏时的变形。从变形可以看出,其破坏性形式为弯扭失稳破坏。表1给出了本文计算的极限荷载与文献2的比较(公式（2）中去掉c,即P=AgFcy)。因篇幅所限,表中只列出长细比较小(发生弯扭失稳)的4种截面的比较。由表1可知,本文计算结果与文献2非常接近,误差为-10%10%之间。由计算分析可知：1)对于等边角钢,其轴压稳定系数随杆件长细比与肢件宽厚比的不同有明显区别:

6、在长细比较小时,宽厚比越大稳定系数越低,稳定性越差,且差别较大;因为此时以绕对称轴的弯扭失稳为主,宽厚比大的截面其换算长细比较大。在长细比较大时,宽厚比越大稳定系数越高,且差别较小;因为在此时以绕非对称轴的弯曲失稳为主,宽厚比大的截面比较开敞,稳定性较好。各截面的计算结果与钢结构设计规范(GB50017-2003)的b曲线相比较:在长细比60或160的范围内,有少数构件稳定系数低于规范曲线,但总体来看基本吻合,见图5。2)对于不等边角钢,其轴压稳定系数随杆件长细比与肢件宽厚比的不同有一定程度的差别:宽厚比越大稳定系数越低,在长细比较小时差别较大。因为此时弯扭失稳以扭转效应为主,宽厚比大的截面其

7、换算长细比较大。各截面的计算结果与钢结构设计规范(GB50017-2003)的b曲线的比较可知：杆件长细比较小时,计算结果曲线远高于规范值,此时规范公式偏于保守;杆件长细比较大时,则比较接近,见图6。因此,规范采用换算长细比方法计算弯扭失稳不够准确。3结论根据本文的分析结果,可以得到以下结论：1)钢结构设计规范(GB 50017-2003)中关于热轧等边角钢轴心受压构件的计算公式简单可行，其结果与本文分析结果基本吻合;对于不等边角钢：由于扭转效应的影响,当长细比较小时其计算结果偏于保守。所以说明换算长细比方法不够完善。2)AISC LRFD 2000中关于热轧单角钢轴心受压构件的计算公式精确度较高,但计算较繁琐。3)本文提出的公式(3)和公式(4)可用于实际设计。【参考文献】【1】GB50017-2003钢结构设计规范S.【2】AISCINC,