卷边对C型冷弯薄壁型钢压弯构件畸变屈曲 性能影响的有限元分析

发表时间:2019/7/19   来源:《新材料.新装饰》2019年3月上   作者:董新元 毛会 李玥
[导读] 冷弯薄壁型钢构件主要存在三种屈曲模式:局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲,而对于冷弯薄壁槽钢来说其畸变屈曲起主要的控制作用,本文主要通过有限元软件对不
(河北建筑工程学院,河北 张家口市 075000)
摘要:冷弯薄壁型钢构件主要存在三种屈曲模式:局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲,而对于冷弯薄壁槽钢来说其畸变屈曲起主要的控制作用,本文主要通过有限元软件对不同卷边宽度下的C型槽钢钢柱进行特征值屈曲分析,以得到卷边宽度对于C型槽钢畸变屈曲的影响。
关键词:畸变屈曲;C型槽钢;卷边;有限元分析

         引言
        冷弯型钢构件在建筑中的应用始于 19 世纪五十年代的美国和英国,目前以其轻质高强、可标准化生产、环保、经济性好等优点被广泛的应用于我国屋盖中的屋面板、檩条、立柱、中等跨度楼板的横梁、龙骨、门窗、储物架及各种围护结构和承重结构中。但是我国对于冷弯薄壁型钢畸变屈曲的研究尚不充分,尤其是随着钢材强度的提高构件生产越来越趋向于薄壁化,由此带来局部屈曲、畸变屈曲的概率加大,在很多情况下,畸变屈曲通常起这控制作用,因此研究畸变屈曲就变得迫在眉睫。
        畸变屈曲是指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导致截面轮廓发生了改变 ,影响畸变屈曲的因素很多,比如翼缘的宽度、翼缘与腹板的宽厚比、构件的厚度、有限截面尺寸等,本文主要通过有限元软件对不同卷边宽度下的C型槽钢钢柱进行特征值屈曲分析,以得到卷边宽度对于C型槽钢畸变屈曲的影响。
        1 方案设计
        本次模拟采用标准模型尺寸为140*50*20*2.5的卷边槽钢,计划模拟得出卷边对于C型槽钢畸变屈曲的影响,因此模拟采用相同腹板高度相同翼缘宽度和相同板件厚度的槽型钢,仅控制卷边高度分别为25mm、22mm、20mm、18mm、15mm、12mm、10mm和8mm,对应的卷边高度与板件厚度的比值为10,8.8,8,7.2,6,4.8,4,3.2。对于上述8种情况进行有限元模拟,得出屈曲荷载随卷边高度变化关系,从而得出结论。
        模型的建立忽略残余应力影响,忽略板件弯角造成的局部屈服强度提高的影响,钢材屈服强度取Q345,钢材名义屈服强度345MPa,弹性模量 E 取 2.1×105 MPa,泊松比取 0.3。
        2 有限元模型建立
        2.1 建立几何模型
        根据国内外关于畸变屈曲的研究,结合有限元软件的反复模拟,初步选定模型尺寸为h(腹板厚度)*b(翼缘宽度)*a(卷边宽度)*t(板件厚度)=140*50*20*2.5(mm),所有模型均建为三维壳体结构,模型长度根据澳大利亚悉尼大学的Lau针对卷边槽钢截面推导出的半波长公式来进行确定,为得到完整的屈曲变形,选用构件长度2.5m,横截面如图(1)所示:
 
        图1 横截面图
        有限元模型图如图(2)所示:
 
        图2 有限元模型图
        2.2 设置分析步
        对所创建截面进行材料属性的定义和截面属性的定义之后进行分析步的创建,点击创建分析步,选择线性摄动,在所需的特征值数量(Number of eigenvalues requested)后填入10,分析在10个特征值下的变形情况。
        2.3 定义荷载和边界条件
        给钢柱施加边界荷载,对钢柱一端选择施加壳体边缘荷载(Shell edge load),在幅值(Magnitude)中输入1e4,其余参数不变。对于加载端,约束X、Y两个方向的平动自由度U1、U2,即施加一个交接约束;对于非加载端约束其X、Y、Z三个方向的平动位移U1、U2、U3.此时模型显示所施加的荷载和约束如图3所示:
 
        图3 施加约束图
        2.4 网格划分
        网格划分是进行有限元分析的关键,网格划分的好坏决定了模型结果的精确程度,此次对网格进行布种在Approximate global size 中输入0.05,单元类型为以四边形为主的壳体单元采用扫略技术对网格进行划分,划分结果如图4:
 
        图4 网格划分
        2.5 提交作业和可视化
        对以建好的模型进行提交分析进入后处理阶段,该截面尺寸下模型第一阶段变形图如图5
 
        图5 变形图
        3 有限元分析
        按照上述流程对其他几种模型进行建模,得到各个尺寸下的变形云图以及结构所能承受的临界荷载,表3.1为上述有限元分析得到的结果。将表3.1所示结果进行分析绘制折线图如图6所示。
        表3.1 有限元分析结果
      

 
        图6 屈曲荷载折线图
        通过折线图可以看出随着卷边高度的增加屈曲荷载不断增大,当卷边高度为8mm时屈曲荷载仅为36.645kN,但当卷边宽度达到25mm时屈曲荷载达到了57.002kN,说明卷边宽度的大小对构件屈曲荷载的提高有很大影响,能明显提高构件的承载能力。但是是否卷边宽度越大越好,以及卷边宽度对畸变屈曲的影响限度是多少还有待于进一步的研究。
        4 结论
        本文主要通过有限元软件对不同卷边宽度下的C型槽钢钢柱进行特征值屈曲分析,实验模拟了8种不同卷边宽度下的C型槽钢,得出了如下结论:相同构件长度和加劲条件下,卷边宽度越大构件畸变屈曲临界荷载越大,但是在实际的工程中不仅要兼顾承载力的影响还要考虑经济方面的原因,因此卷边宽度在何种尺寸下最为经济承载力效果最为理想还有待进一步的研究。
参考文献
[1]王建超.冷弯薄壁加劲C型钢轴压构件畸变性能有限元分析[D].河北:河北工程大学,2014.
[2]陈绍蕃.卷边槽钢梁的局部相关屈曲和畸变屈曲[J].建筑结构学报,2002,23(1):27-32.
[3]蒋璐.卷边槽型冷弯薄壁型钢轴压柱畸变屈曲的试验和理论分析[D].西安:西安建筑科技大学,2007.
[4]刘翔.高强冷弯薄壁型钢压弯构件承载力设计方法试验研究[D].上海:同济大学,2007
 
 

 
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