加劲钢柱腹板受压稳定性分析

刘 敏

(湖北省华网电力工程有限公司，湖北 武汉 430074)

加劲钢柱腹板受压稳定性分析

刘 敏

(湖北省华网电力工程有限公司，湖北 武汉 430074)

基于大型通用软件ANSYS，分析了6种加劲肋参数下的钢柱弹性屈曲特性，由分析结果得到了加劲肋的厚度越大，对腹板的约束越大，并有效的提升了钢柱腹板的一阶临界屈曲应力系数，120 mm宽的加劲肋由于自由伸出长度过大，会发生过早的屈曲，而导致腹板屈曲失效。

加劲钢柱，腹板屈曲，纵向加劲肋，临界屈曲应力系数

薄壁轻钢结构在近期得到了很大的发展，被广泛的运用于民用与工业建筑中。然而薄壁钢结构呈腹板高、高厚比大的特点，板件的稳定性问题尤为突出，需要进行加劲肋的合理设置。加劲肋的设置对板件的稳定性具有重大影响，不当的加劲肋设置可能诱发腹板的突然失稳，特别是一字形加劲肋等开口截面加劲肋，腹板的局部更容易发生。国内外学者针对加劲板件稳定性开展了一系列研究。M.M.A.等基于有限元数值模拟方法，分析了简支板件在弯曲荷载下加劲肋的合理位置与板件临界屈曲应力之间的关系，表明不同荷载作用下加劲肋的合理位置不一致[1]。 R. Chácon等运用有限元数值模拟研究了在局压作用下加劲肋设置对钢主梁腹板临界屈曲应力的影响，表明通过优化纵向加劲肋的位置能够得到最大的腹板临界屈曲应力[2]。L. P. 等研究纵向加劲肋刚度对腹板剪切稳定的影响[3]，指出纵向加劲肋截面刚度对腹板剪切屈曲模式起决定性的作用。G.Y. G等通过有限元数值模拟，提出了三种板件屈曲模式[4]：1)板件整体屈曲；2)加劲肋屈曲；3)加劲肋与板件构成的T形截面柱的欧拉屈曲。为了寻求合适的钢柱加劲肋设置截面，本文基于大型通用软件ANSYS，分析了6种加劲肋参数下的钢柱弹性屈曲特性，得到了薄壁钢柱加劲腹板的屈曲特性，并最终根据计算结果优化了加劲肋的截面尺寸。

1 工程参数与有限元模型的建立

基于大型通用软件ANSYS 建立了薄壁钢柱有限元模型，该薄壁钢柱的高度为4.9 m，薄壁腹板宽度为0.6 m，钢柱的总长×宽为0.84 m×0.84 m，有限元模型的参数见表1，有限元模型见图1,图2。

表1 有限元参数设置 mm

对有限元模型开展纵向加劲肋的参数分析，以优化确定纵向加劲肋的截面取值。纵向加劲肋的取值参数见表2。

表2 纵向加劲肋参数选择

2 有限元计算结果

有限元应力分析计算结果见图3,图4，在3 200 kN的压力作用下，最大的应力在56 MPa～77 MPa之间，应力未达到构件的屈服值。有限元屈曲特性分析计算结果见图5，在3 200 kN的压力作用下，构件的临界屈曲应力系数在0.95～1.73之间。

3 结语

本文通过有限元数值模拟方法分析了薄壁加劲钢柱的弹性屈曲特性，主要结论有：

1)随着纵向加劲肋厚度的增加，薄壁加劲钢柱腹板的临界屈曲应力系数增大。当加劲肋的宽度为120 mm时，加劲肋厚度增加，钢柱可以承受的荷载由3 040 kN上升到5 536 kN。当加劲肋的宽度为80 mm时，加劲肋厚度增加，钢柱可以承受的荷载由4 570 kN上升到5 056 kN。

2)随着纵向加劲肋宽度的增加，薄壁加劲钢柱腹板的临界屈曲应力系数范围增大。当加劲肋的宽度为120 mm时，钢柱可以承受的荷载范围为3 040 kN～5 536 kN。当加劲肋的宽度为80 mm时，钢柱可以承受的荷载范围为4 570 kN～5 056 kN。这是由于当纵向加劲肋宽度达到一定值时，其加劲肋自身更容易发生屈曲，反而导致了整体承载能力的下降。

3)从上述分析可以看出，本文应选择80 mm×5 mm宽度的加劲肋，虽然该加劲肋的尺寸小于120 mm×5 mm的加劲肋，但在加劲后钢柱的性能优于后者。

4)本文的研究成果对带钢结构加劲肋板件屈曲分析与加劲肋设计具有一定的理论参考价值。

[1] M. M. Alinia. A study into optimization of stiffeners in plates subjected to shear loading[J]. Thin-walled structures, 2005,43(5):845-860.

[2] R. Chacón, M. Bock, E. Real. Longitudinally stiffened hybrid steel plate girders subjected to patch loading[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2011,67(9):1310-1324.

[3] Luka Pavlovcica, Annette Detzel, Ulrike Kuhlmannb. Darko Beg Shear resistance of longitudinally stiffened panels—Part 1: Tests and numerical analysis of imperfections[J].Journal of Constructional Steel Research,2007(63)：337-350.

[4] G.Y. Grondin, A. J. (1999). Buckling of stiffened steel plates——a parametric study[J].Construct. Steel Res.2010,50(1)：151-175.

Buckling analysis of stiffened thin-walled column

Liu Min

(TheHubeiCorporationofChinaNetworkPower,Wuhan430074,China)

Based on the large common software ANSYS, this paper analyzes the characteristics of six kinds of elastic buckling of steel columns stiffener parameters by analyzing the results the following conclusions: stiffener thickness, the greater the constraints on the web, and effectively enhance the steel column web’s first critical buckling stress factor, 120 mm wide stiffeners due to the free extended length is too large, buckling occurs prematurely, resulting in buckling failure.

stiffened steel column, plate buckling, longitudinal stiffeners, critical buckling stress factor

2015-01-14

刘 敏(1984- )，女，助理工程师

1009-6825(2015)09-0039-02

TU311

A