纵向加劲的冷弯Σ形截面受弯构件力学性能研究

　　冷弯薄壁型钢由于成形方便、力学性能良好、钢材利用率高以及绿色环保的优点,被广泛应用于各种建筑中。冷弯薄壁型钢通常通过改变截面形状来增大截面惯性矩和截面抵抗矩以承受较大的荷载,而不是单纯增大截面面积来获得,因此也被称作高效截面型钢。例如在C形钢腹板加纵向加劲肋形成的冷弯E形截面与普通冷弯C形截面型钢相比具有屈服强度高,抗扭刚度大的性能优势[1]。采用非线性有限元的分析方法,通过对腹板带纵向加劲的冷弯E形截面受弯构件在总体参数和加劲参数变化下极限承弯矩、屈曲模式等方面的分析,全面研究了Σ形截面受弯构件的力学性能。并与相同参数的冷弯C形截面相对比,结果表明设置纵向加劲肋对提高截面抗弯、抗扭性能影响很大,为E形截面构件的深入研究和推广使用提供参考。

　　1 有限元分析

　　1.1 截面尺寸的规定

　　本文参考文献[2]将标准Σ形构件尺寸(见图1)取为腹板@翼缘@卷边@板厚@长度= hXbXaXtXlX(g/h)X(b1/b)=150X50X15X2.0X1500X(1/5)X(1/3)mm。构件总体参数包括截面高度h、截面宽度b、构件长度l;截面加劲参数为加劲相对宽度g/h、加劲相对高度b1/b。

　　1.2 建立有限元模型

　　采用大型有限元通用程序Ansys进行分析,选用单元为shell181平板壳元,每个单元有4个节点,每个节点有3个位移和3个转动自由度,单元包括塑性、应力强化、大变形和大应变特征。网格划分采用映射划分,控制网格尺寸的大小[3],以控制求解的精度。模型的约束条件为一端约束除轴向力外的两个平动位移;对称端限制轴向平动和另两个方向的转动。加载方式采用在模型端面上施加梯度分布力的方式来模拟作用于截面对称轴上的端部弯矩。几何缺陷:首先进行ANSYS特征值屈曲分析,得到构件最容易发生的变形形态,然后提取0.001L的初始挠度模拟构件的初始几何缺陷,进行非线性屈曲分析,并采用弧长法追踪曲线的下降段。

　　2 E形截面的力学性能研究

　　2.1 总体参数分析

　　2.1.1 极限弯矩

　　图2为E形截面与C形截面构件在总体参数变化的极限弯矩的变化情况。如图2(a)所示,随着截面高度的增大,两种截面构件的极限弯矩基本呈线性增大,但E形截面比C形截面抗弯承载力偏高,说明纵向加劲肋的存在提高了E形截面抗弯刚度。如图2(b)所示,随着截面宽度的增大,两种截面构件的极限弯矩在b=75 mm时达到最高后随着b的增大极限弯矩反而减小,E形截面与C形截面抗弯承载力相差很小,是因为此时由于构件宽度过大,两种截面翼缘相对较弱,均发生了畸变屈曲,极限弯矩与截面腹板是否有纵向加劲肋的关系不大。如图2(c)所示,当构件的长度l介于1000~2000时极限弯矩随构件长度增加略有下降,当l=2 500时构件的极限弯矩明显下降,E形截面比C形截面抗弯承载力稍高(见表1)。总之,随着构件总体参数h和l变化,E形截面与C形截面构件的极限弯矩的变化趋势相似,但前者的极限弯矩值由于纵向加劲肋的影响而总体高于后者。随着构件总体参数b的变化,两种截面极限弯矩几乎相同,纵向加劲肋的影响不大。