不同卷边形式冷弯薄壁槽钢受弯构件有限元分析★

姜铁冰 赵金友 张力滨

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

·结构·抗震·

不同卷边形式冷弯薄壁槽钢受弯构件有限元分析★

姜铁冰 赵金友 张力滨

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了研究卷边形式对冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲模式和抗弯承载力的影响，应用有限元软件ANSYS对直卷边、斜卷边和复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件进行了有限元分析，分析结果表明，复杂卷边进一步加强了对构件翼缘的约束作用，提高了构件的抗弯承载力，其构件的承载效率最高，并在一定程度上限制了畸变屈曲的发生。

冷弯薄壁槽钢受弯构件，卷边形式，抗弯承载力，屈曲模式

0 引言

冷弯薄壁型钢是用厚度为1.5 mm～6 mm的带钢或钢板经过冷加工成型，截面各部分厚度相同，截面各角顶处呈圆弧形。与同样截面的热轧型钢相比，冷弯薄壁型钢具有更大的回转半径和惯性矩，改善了构件的受力性能，节省了钢材，使得冷弯薄壁型钢具有了自重小、强度高的特点。诸多优点使得冷弯薄壁型钢被广泛应用于屋盖中的檩条、楼板中的横梁及在建建筑的围护等结构中[1]，尤其是冷弯薄壁型钢C型截面构件(简称冷弯薄壁槽钢)在实际工程中应用居多。由于板件较薄，冷弯薄壁槽钢的宽厚比较大，在受弯状态下容易发生失稳，因此将冷弯薄壁槽钢的边缘弯折起卷边来提高构件的抗弯承载力[2]。卷边的出现使得构件的屈曲模式更加复杂，因此有必要对不同形式卷边的构件作进一步的研究。本文对直卷边、斜卷边和复杂卷边冷弯薄壁槽钢构件在纯弯状态下进行有限元分析，研究不同形式卷边对冷弯薄壁槽钢屈曲模式和抗弯承载力的影响。

1 截面形式

我国冷弯薄壁槽钢的腹板高与翼缘宽的比值通常在2～3之间[3]，本文构件选取腹板高度H=180 mm，翼缘宽度B=60 mm。选取了直卷边、斜卷边和复杂卷边三种卷边形式，每种卷边形式选择两种宽度，直卷边和斜卷边分别选取卷边宽度d=20 mm和d=40 mm，复杂卷边在选取尺寸时保持总长度相同，复杂卷边Ⅰ型选取d=20 mm，a=20 mm，复杂卷边Ⅱ型为d=30 mm，a=10 mm。板件间的弯曲半径r=2.5 mm。三种截面形式如图1所示。

2 有限元参数分析

有限元分析选取ANSYS中的Shell181单元，采用2.5 mm厚的Q345钢板，屈服强度fy=345 MPa，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比v=0.3。分析模型如图2所示，试件长L=2 700 mm，采用三分点加载，中间研究区段长度为900 mm。通过连接件将两个相同截面的试件背对背连接在一起，防止试件发生扭转变形和侧向变形。采用盖板与试件上翼缘相连，避免施加荷载时两侧区段对中间研究区段的影响。

2.1 屈曲模式

短直卷边、短斜卷边和长斜卷边构件在特征值分析时发生了畸变屈曲，在非线性分析时也均发生了畸变屈曲。图3a)为短直卷边构件的特征值屈曲分析时的畸变屈曲，由于短卷边对翼缘的约束作用不足，构件容易发生畸变屈曲，因此构件发生了波形呈反对称分布的畸变屈曲。非线性分析结果和特征值分析结果一致，构件发生了畸变屈曲破坏，如图3b)所示。

长直卷边、复杂卷边Ⅰ型和复杂卷边Ⅱ型构件在特征值分析时发生了局部屈曲，在非线性分析时则发生了局部和畸变的相关屈曲。图4a)为复杂卷边Ⅰ型构件特征值分析结果，构件在卷边、受压翼缘和腹板上均发生了局部屈曲，这是由于复杂卷边对翼缘的约束作用较强，构件更容易发生局部屈曲。在非线性分析中，因处在受压区的翼缘刚度不足，而且没有足够的连接阻止翼缘的变形[4]，构件出现了一定程度的畸变屈曲变形，发生了局部和畸变的相关屈曲，如图4b)所示。

2.2 抗弯承载力

表1 各构件抗弯承载力和屈曲模式

各构件抗弯承载力和屈曲模式列于表1中，从表1可以看出，增加卷边的长度或将卷边弯折成复杂卷边后，抗弯承载力均有提高。长直卷边比短直卷边的抗弯承载力提高了16%，长斜卷边比短斜卷边的抗弯承载力提高了12%，复杂Ⅱ型卷边比复杂Ⅰ型卷边的抗弯承载力提高了0.5%。在卷边总长度均为40 mm的构件中，复杂卷边Ⅱ型比长直卷边的抗弯承载力提高了1%，比长斜卷边的抗弯承载力提高了9%，复杂卷边Ⅱ型构件由于增加整个卷边绕自身形心轴的惯性矩，提高了构件的抗弯承载力，所以其抗弯承载力最高。

2.3 承载效率

下面通过计算各构件的承载效率η进一步衡量构件承载能力的大小。

η=σu/fy

(1)

σu=M/W

(2)

式(1)中构件的全界面应力σu与材料屈服强度fy的比值即为承载效率η。式(2)中W为构件的净截面模量。

三组构件的承载效率绘于图5，从图中可见，复杂卷边构件的承载效率最高，直卷边的居中，斜卷边的承载效率最低，这也与抗弯承载力大小的顺序一致。复杂Ⅱ型构件的承载效率提高最大，其抗弯承载力也最高。

3 结语

应用有限元软件ANSYS对直卷边、斜卷边和复杂卷边的冷弯薄壁槽钢受弯构件进行有限元分析，得到以下结论：

1)卷边形式对屈曲模式有明显影响，长直卷边和复杂卷边对翼缘的约束作用较强，构件发生了局部和畸变的相关屈曲，短直卷边与斜卷边的构件则发生畸变屈曲。2)在卷边总长度一定时，冷弯薄壁槽钢构件承载效率与卷边形式密切相关，复杂卷边的承载效率最高，直卷边的次之，斜卷边的最低。3)当构件为复杂卷边时，增加初卷边长度、减小再卷边长度可提高冷弯薄壁槽钢构件的抗弯承载力。

[1] 钟国辉.冷弯薄壁型钢在房屋建筑中的研究与发展[J].建筑结构进展,2002(4):26-28.

[2] 王海明,张耀春.复杂卷边冷弯型钢受弯构件屈曲性能研究[A].2007年全国轻型钢结构技术研讨会论文集[C].2007:58-62．

[3] 王海明,张耀春.直卷边和斜卷边受弯构件畸变屈曲性能研究[J].工业建筑,2008，38(6)：106-109.

[4] 王海明，张耀春.冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文，2010:6-12．

The finite element analysis on cold-formed thin-walled steel channel flexural member with different edge stiffener types★

Jiang Tiebing Zhao Jinyou Zhang Libin

(CollegeofCivilEngineering，NortheastForestryUniversity，Harbin150040,China)

In order to investigate the influence of the edge stiffener type on the buckling mode and bending strength of cold-formed channel flexural member, the finite element program ANSYS has been adopted to study the cold-formed thin-walled steel channel flexural member with upright, inclined and complex edge stiffeners. It is shown that complex edge can further strengthen the constraint function of flexural member flange, improve the bending strength of the member and limit distortional buckling to some extent, and that the loading efficiency of flexural member with complex edge is the highest.

cold-formed steel channel flexural members, edge stiffener type, bending strength, buckling mode

1009-6825(2015)28-0032-02

2015-07-31

★：黑龙江省自然科学基金项目(项目编号：E2015056)；黑龙江省博士后科研启动项目(项目编号：LBH-Q13004)

姜铁冰(1989- )，男，在读硕士； 赵金友(1977- )，男，副教授； 张力滨(1972- )，男，副教授

TU311.41

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