钢结构开孔板件净截面抗剪性能研究

项阳 ，张特 ，尹越 ，刘明辉

钢结构开孔板件净截面抗剪性能研究

Research on the Net Section Shear Properties of Hole Cross-section Steel Plates

项阳11，张特22，尹越22，刘明辉33

H型钢受弯构件拼接设计中通常假定剪力由腹板承受，采用高强螺栓进行腹板拼接时，螺栓孔洞将改变腹板净截面上的剪应力分布，对腹板抗剪性能产生不利影响，本文采用通用有限元分析软件ABAQUS，建立开孔受剪板件有限元分析模型，分析了开孔直径、开孔数量等对开孔板件净截面上剪应力大小和分布的影响，对螺栓孔削弱板件净截面抗剪性能进行了研究。

受剪板件；孔洞削弱；开孔直径；开孔数量

1 引言

钢结构受弯构件采用H型钢截面时，腹板剪应力分布如图1所示，剪应力大小可根据《钢结构设计规范》GB50017-2003[1]由式（1）计算。

式中：

V——计算截面沿腹板平面作用的剪力

S——计算剪力处以上毛截面对中和轴的面积矩

I——为毛截面惯性矩

tw——腹板厚度

当H型钢受弯构件在进行拼接设计时，一般采用弯矩由翼缘承担，剪力由腹板承担的简化方法计算。H型钢受弯构件的拼接节点，通常采用高强螺栓进行腹板拼接，连接安装方便，但由于螺栓孔洞的存在，将改变腹板净截面上的剪应力分布，对腹板抗剪性能产生不利影响，孔洞对受剪板件净截面剪应力的影响在式（1）中未予考虑，对开孔受剪板件的净截面抗剪性能的相关研究[2]也很少。

本文采用通用有限元分析软件ABAQUS[3]，建立开孔受剪板件有限元分析模型，分析了开孔直径、开孔数量等对开孔板件净截面上剪应力大小和分布的影响，对螺栓孔削弱板件净截面抗剪性能进行了研究。

2 开孔受剪板件净截面剪应力分析

2.1 分析模型

受剪板件尺寸取为550mm×670mm×12mm，如图2所示，板件左边设置固端约束，右边施加均布剪切荷载，总剪力值415.75kN。分两种情况分析孔洞对受剪板件净截面上剪应力分布及大小的影响：（1）在板件中心开一个孔洞，孔洞直径D分别取50、100、150及200mm；（2）沿板中心线开孔，孔洞直径50mm，孔洞数量n取为1、2、3、4，孔洞布置如表1所示。

采用通用有限元软件ABAQUS建立开孔受剪板件有限元分析模型，如图3所示，所有单元均采用板壳单元S4R。

2.2 分析结果

有限元分析得到的无孔洞板件最大剪应力为80.4MPa，与按规范式（1）所得截面最大剪应力77.6MPa基本一致。

表1不同孔洞数量时孔洞布置情况

板件中心开一个孔洞（D=50、100、150及200mm）对板件净截面上剪应力分布与大小的影响如图4所示。可以看出，板件中心开孔后，孔边剪应力较小，但在孔边附近剪应力急剧增大到最大值，最大剪应力比无孔洞板件最大剪应力有较大幅度增大，孔径D越大，最大剪应力增幅越大，如图5所示，孔径D=200mm时，最大剪应力达到113.7MPa，接近无孔洞板件最大剪应力的1.5倍。另外，开孔板件与不开孔板件比较，最大剪应力增幅明显，孔洞直径对最大剪应力的影响相对较小。

沿板件中心线开多个孔洞（n=1、2、3、4）时，板件净截面上剪应力分布如图6所示。可以看出，开多个孔洞时，板件净截面上的剪应力分布大趋势与无孔洞板件相似，中间大、两端小，同时，由于孔洞将板件截面分割为若干独立的小区段，在每个小区段内，剪应力同样遵循中间大、两端小的分布规律；由于孔洞的存在，板件净截面最大剪应力均有一定幅度的增大，但增幅并不仅仅取决于孔洞数量，还与孔洞布置有关。

3 螺栓孔削弱板件抗剪性能分析

受剪板件尺寸见图2，沿中线设置螺栓孔8个,孔径26mm,端距55mm，中心距80mm。分螺栓孔内有、无螺栓两种情况分析板件净截面上的剪应力。采用ABAQUS建立有限元分析模型时，螺栓简化为解析刚体。

螺栓孔削弱板件净截面上的剪应力与无孔洞板件比较如图7所示。可以看出，螺栓孔削弱板件净截面上的剪应力分布在整体趋势及小区段上均遵循中间大、两端小的规律，最大剪应力值均有所增大；螺栓孔内有螺栓时的最大剪应力比螺栓孔内无螺栓时有所降低，这是由于螺栓的抗剪、承压传递了部分剪力。计算两种情况板件净截面上剪力合力可知，通过螺栓传递的剪力约为总剪力的25%，靠近中部的螺栓所传递的剪力最大，而端部的螺栓传递的剪力较小。

4 结论

（1）受剪板件中心开孔，孔边剪应力较小，但在孔边附近剪应力急剧增大到最大值，最大剪应力比无孔洞板件最大剪应力有较大幅度增大，孔径越大，最大剪应力增幅越大；

（2）受剪板件在同一截面开多个孔洞时，板件净截面上的剪应力分布在整体趋势及小区段上均遵循中间大、两端小的规律，最大剪应力值增大幅度与孔洞数量及孔洞布置有关；

（3）由于螺栓通过抗剪、承压能传递部分剪力，螺栓孔内有螺栓时，板件净截面上的最大剪应力比螺栓孔内无螺栓时有所降低。

[1]GB50017-2003,钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003.

[2]Paik JK.Ultimate strength of perforated steel plates under edge shear loading.Thin-Walled Structures 2007,45:301-306.

[3]ABAQUS,Inc.ABAQUS.Ver6.9.analysis user′s manual,2010.

TU391

A

1001-6171（2012）01-0044-02

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2011-07-26；

吕 光