冷弯薄壁斜卷边槽钢轴压构件稳定性分析

冷弯薄壁斜卷边槽钢轴压构件稳定性分析

目前，斜卷绕槽钢（侧壁与翼缘之间不直接）作为钢框架柱的常见形式已在实际结构中得到广泛应用，但其稳定性研究较少。然而，关于其稳定性的研究很少。北美冷弯骨骼结构部分的设计规范（na）和澳大利亚冷弯骨骼结构部分的设计规范（as-nis）只使用直直角快速带的设计标准，而不是充分考虑旋转后的角度变化对组件支撑和失稳模式的影响。在比较有限分析和标准计算的结果中，上述两种类型的斜卷结构固支的设计相对保守。因此，有必要深入研究斜卷槽钢的压板结构，进一步阐明其稳定性和总裁角结构的区别，在实际结构中发挥更有效的作用。本文在文献试验研究的基础上,通过变换翼缘板件宽度、卷边弯起角度、板厚、构件长度、端部边界条件、荷载作用方式等参数,对斜卷边槽钢轴压构件进行了大量的非线性有限元分析,深入地研究了此类构件的静力稳定性能.1弹性能非线性有限元分析试件截面的几何参数定义如图1所示,试件的编号方式如图2所示,其中第二项的S、L分别代表窄翼缘和宽翼缘截面.参数分析共选取了两种翼缘外廓尺寸(B=55mm和B=80mm)、七种卷边弯起角度(θ为30°、45°、60°、90°、120°、135°和150°)、三种板厚(t取为1.0、2.0和3.0mm)、六种试件长度(L以0.5m为间隔,由0.5m起变化到3m止)、简支和固支两种边界条件,对试件进行了轴心受压状态下的稳定性能非线性有限元分析.所有截面腹板外廓尺寸(H)均取为160mm,卷边外廓宽度(D)均取为20mm,取弯曲内径r=t,钢材的屈服强度(fy)均取为345MPa,弹性模量(E)取为2.06×105MPa,泊松比(ν)为0.3.2固支边界条件下斜卷边槽钢构件有限元分析方法的有效性非线性屈曲分析采用与文献一致的模型及加载方式,分析中同时考虑了几何与材料非线性.由于弯角处残余应力和材料屈服强度的提高对试件的受压承载力特性具有相反的作用,可近似认为相互抵消,因此分析中忽略了弯角处残余应力和材料屈服点提高的影响.薄壁构件的稳定性能表现出对几何初始缺陷的高度敏感,为了利用数值方法进行参数分析,构件的几何初始缺陷必须定量化.根据文献对36根试件实测缺陷结果的平均值,本文在参数分析过程中取局部初始缺陷最大值为0.0025倍的腹板宽,整体缺陷最大值取构件计算长度的千分之一.分析采用弧长法进行,以便获得荷载-位移曲线的下降段.有限元分析对于研究冷弯薄壁构件的承载力、变形特性和各种复杂的破坏模式是非常行之有效的方法,但其正确性必须通过试验验证.作者已在文献中针对简支边界条件下斜卷边槽钢受压构件有限元分析方法的有效性进行了验证,下面参考文献的试验研究,对固支边界条件下斜卷边槽钢轴心受压构件有限元分析方法的有效性进行验证.表1列出了本文ANSYS分析结果与试验结果和文献利用ABAQUS计算结果的对比情况.表中试件编号的第一个字母“S”代表翼缘的名义宽度为50mm;“T”及后面的数字表示名义壁厚,分别为1.5、1.9和2.4mm;“A”及后面数字指卷边的弯起角度.构件腹板的名义宽度均为100mm,卷边的名义宽度均为12mm,所有构件长均在1.5m左右,有关构件的具体几何尺寸及材料特性详见文献.固支柱分析采用的单元、材料属性输入项设置及网格划分等均与简支柱的分析一致,只是端部约束条件有所改变.模型两端所有节点除加载端轴向位移不约束外,其余各平动、转动自由度全部约束.由表1结果可见:本文对三个系列固支斜卷边槽钢柱极限承载力的有限元分析结果与试验结果误差平均值均在5%范围内,标准差最大为0.031,两者吻合较好.在卷边弯起角度为钝角时,本文的分析结果比文献的分析结果更接近于试验值.仅在卷边弯起角度>45°时,分析结果除包含畸变屈曲外,还出现了局部和整体弯曲屈曲模式,与试验略有出入.从总体上来看,采用本文的分析方法能够比较准确地对固支斜卷边槽钢柱的稳定性能进行模拟,可以用来进行参数分析研究.3和极限承载力确定受篇幅所限,有限元分析所得破坏模式和极限承载力结果见文献附录2.构件按翼缘宽度和板厚分为ST10、ST20、ST30、LT10、LT20、LT30.3.1简单柱结的结果分析3.1.1斜卷边槽钢简支柱受力分析不同系列柱的承载力随计算长度的变化趋势基本相同.图3绘制了部分LT20系列轴压柱极限荷载(Pu)随试件绕弱轴计算长度变化的曲线,并给出了构件各种失稳模式弹性临界屈曲荷载随计算长度变化的曲线、全截面屈服荷载及构件的失稳模式.从图3可见,所有构件的极限承载力均比全截面屈服荷载低很多,简支柱的整体弯曲屈曲(F)临界荷载比整体弯扭屈曲(FT)临界荷载低很多.短柱以局部屈曲(L)或局部与畸变(D)的相关屈曲为主要破坏模式.简支柱承载力随计算长度的变化是以整体弯曲屈曲临界荷载曲线为渐近线的,随着长度的不断增大,承载力曲线始终在弯曲屈曲临界荷载曲线的下方并逐渐向其靠拢.对于本文所选截面而言,所有简支柱的整体屈曲模式均表现为绕弱轴的弯曲屈曲,未出现弯扭屈曲失稳模式.由此可见,截面高宽比H/B≥2的斜卷边槽钢简支柱的整体稳定是由弯曲屈曲模式来控制的.3.1.2弯角对构件承载力的影响由图3可见,在各独立的屈曲模式中,卷边弯起角度对截面弹性畸变屈曲临界力的影响最为显著.随着卷边弯起角度的增大,弹性畸变屈曲临界力也不断增大;当弯角达90°时,弹性畸变屈曲临界力取得最大值.弯角继续增大后,畸变屈曲临界力则逐渐下降.此外,卷边弯起角度对构件整体弯曲屈曲临界力也有一定的影响.总体来说,弯角越大时构件整体弯曲屈曲临界力越小.这主要是因为弯角越大时截面绕弱轴的惯性矩越小,从而导致整体抗弯刚度下降.将弯角不为90°的构件承载力与同系列同长度卷边弯角为直角时构件的承载力相除,所得结果示于图4中.结果显示,除卷边弯角为30°的构件外,大部分弯角为锐角的构件承载力均比弯角为直角的构件大.结合失稳模式可以发现:失稳模式包含有畸变屈曲的构件中,弯角为30°的构件明显多于弯角为直角的构件.当弯角为30°的构件发生了畸变屈曲而相同情况下弯角为直角的构件未发生畸变屈曲时,其承载力低于弯角为直角的构件;而在其他失稳模式下,弯角为30°的构件承载力则明显高于或略低于(仅PLT10L25A30和PLT30L05A30)相同情况下弯角为直角的构件承载力.弯角为锐角时,承载力提高幅度随试件长度的增加而增大,同时还随弯起角度的减小而增大.弯角为钝角的构件与弯角为直角的构件承载力相比则有高有低,除PST10、PST20系列的部分构件外,两者之间的差别基本在±5%范围内,可见弯起角度对承载力的影响较小.此外,PST系列柱当卷边弯起角度为钝角时均未出现畸变屈曲;PLT系列柱除短试件(柱长0.5m)外,卷边弯起角度为钝角的构件也未发生畸变屈曲破坏.由此可见,卷边弯起角度为钝角时能够有效地阻止轴心受压简支构件畸变屈曲模式的发生.在对此类构件进行设计时可以不必考虑畸变屈曲模式的验算.综合以上分析可见:具有不同卷边弯起角度的简支构件,若卷边弯角为30°时不发生畸变屈曲,则其承载力比其他构件都大.长细比越大时,这种趋势越明显.当构件的长细比较大时,其破坏主要由整体弯曲屈曲控制,卷边弯角为30°的构件与其他构件相比截面更加开展,绕弱轴的抗弯刚度更大,因此,能够有效地提高构件的承载力.然而,当畸变屈曲控制构件稳定性能时,会导致承载力明显降低,这一点在对此类构件的设计中应当格外留意.3.1.3pst系列中,弯角为硬脆结构时,综合和承载力得到显著提高由图4可见,与卷边弯角为直角时构件的承载力相比,PST系列柱卷边弯角为锐角时的承载力提高幅度普遍比PLT系列柱大.其中,PST系列柱承载力最大提高幅度为35%左右(PST30L30A30),PLT系列柱承载力最大提高幅度为20%左右(PLT30L30A30).在PST系列中,仅弯角为30°的短试件承载力比弯角为直角时试件的承载力低5%以上,其余情况下弯角为锐角的构件承载力均高于同类弯角为直角构件的承载力;而在PLT系列中,大部分弯角为30°和部分t=3.0mm时弯角为45°的构件由于受畸变屈曲模式的影响,承载力明显低于同类弯角为直角构件的承载力,其中以PLT20系列弯角为30°的构件表现最为明显.在翼缘宽度B相等的各系列柱中,卷边弯角为锐角与弯角为直角构件的承载力之比随板件宽厚比的减小而增大.同时,弯角为钝角与弯角为直角构件承载力的比值也随板件宽厚比的减小而略有提高.这是由于板件宽厚比的减小,使得局部稳定承载力提高的缘故.3.2结果表明，支架成功3.2.1畸变屈曲模式由图3可见,随计算长度的增大,固支柱的承载力逐渐降低.短构件以局部屈曲或局部与畸变的相关屈曲为主要破坏模式;中等长度时包含有畸变屈曲模式的构件数量明显增多;当计算长度超过1m(实际柱长超过2m)后,构件出现了整体失稳模式,表现为绕弱轴的弯曲屈曲或弯扭屈曲.3.2.2弯起角度的影响采用与简支柱类似的方法,将弯角不为90°的固支柱承载力与同系列同长度卷边弯角为直角的固支柱承载力相除的结果绘于图5中.结果表明,仅FST20和FST30系列中,柱长3m卷边弯起角度为45°和60°构件的承载力与弯角为直角构件承载力的比值超过了1.05.其余六个系列中绝大部分弯角为锐角的构件承载力都明显低于弯角为直角构件的承载力,只有小部分构件两者之间的比值略>1.0.而弯角为钝角的构件与弯角为直角构件的承载力相比则有高有低,两者间的差别基本在±5%范围内,可以认为承载力受弯起角度变化的影响不大.因此,从总体角度来看斜卷边槽钢固支柱的承载力不及相同条件下直角卷边槽钢固支柱的承载力.结合这些固支柱的破坏模式可以发现:卷边弯起角度对构件失稳模式影响较大.在同一系列柱中,卷边弯起角度越小时出现畸变屈曲的可能性越大.结果显示大部分卷边弯角为锐角的固支柱均出现了畸变屈曲.此外,卷边弯起角度的不同对构件发生整体弯曲失稳时柱中央高度截面整体变形的方向也有一定的影响.分析结果显示,多数卷边弯角为30°和45°的构件发生整体弯曲屈曲时柱中央高度截面的整体变形都是朝向截面剪心所在一侧发展的;与此相反,其余弯起角度构件的整体弯曲变形方向则多半向背离截面剪心所在一侧发展.整体变形朝向剪心所在侧发展,将导致截面上的最大压应力分布在卷边一侧,从而使得畸变屈曲更容易发生,并造成构件极限承载能力的下降,这种现象随卷边弯起角度的减小越来越明显.因此,对于卷边弯起角度较小的固支构件来说,承载力明显比弯角为直角时构件的承载力低,并且弯角越小低的越多.3.2.3折射波下几种类型的卷边弯角flt由构件的破坏模式可以发现,在FST系列卷边弯角为钝角的构件中,仅FST10L20A120的失稳模式出现了畸变屈曲,其余所有构件均未发生畸变屈曲;而在翼缘宽度较宽的FLT系列中,相当一部分卷边弯角为钝角的构件都出现了畸变屈曲模式.由此可见,卷边弯角为钝角且翼缘较窄的固支构件发生畸变屈曲的可能性很小,但当翼缘宽度增大后,此类构件则比较容易发生畸变屈曲.在卷边弯角为锐角的情况下,无论是FST还是FLT系列固支柱都比较容易发生畸变屈曲.由图5还可以发现,FST和FLT系列斜卷边构件与直角卷边构件的承载力之比均随板件宽厚比的减小而不同程度地提高.这一趋势与简支柱相似.4斜卷边弯角h/b21)卷边弯起角度对弹性畸变屈曲临界力影响