腹板开孔冷弯薄壁C型钢纯弯构件抗弯承载力研究

徐锋锋　赵金友

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040)



腹板开孔冷弯薄壁C型钢纯弯构件抗弯承载力研究

徐锋锋赵金友

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040)

为了研究腹板开孔对冷弯薄壁C型钢抗弯承载力的影响，选取不同孔洞尺寸和不同孔洞数目的冷弯薄壁C型钢受弯构件进行了有限元分析，结果表明：当此类构件发生畸变屈曲失稳模式时，构件抗弯承载力随孔洞高度的增加呈现降低的趋势，但随孔洞数目的增加变化不大。

冷弯薄壁C型钢，抗弯承载力，有限元分析，腹板开孔

0　引言

腹板开孔冷弯薄壁型钢具有为结构的侧向支撑及电路系统和管道设施安装提供方便等特点，已在建筑中得到广泛应用[1]。腹板开孔使构件的截面形式发生变化，但孔洞数目和孔洞高度对此类开孔构件受弯承载力的研究鲜有文献报道。综上所述：本文通过对开孔冷弯薄壁C型钢受弯构件进行非线性有限元分析，探究纯弯状态下孔洞数目和孔洞高度对此类构件抗弯承载力的影响规律。

1　构件设计及有限元建模

1.1构件截面形式与材料属性

构件的截面形式如图1所示。试件长度3 720 mm，研究区段长度L=1 200 mm，选取腹板高度H=200 mm，翼缘宽度B=80 mm，板件选取三种厚度t=2.0 mm，2.5 mm和3.0 mm。翼缘宽度B=80 mm，选取卷边宽度d=20 mm。孔洞高度h由净截面和毛截面惯性矩Inet/Ig比值确定，取Inet/Ig=1.0(不开孔)，0.99，0.95，0.90和0.85，卷边为20 mm对应的孔洞高度为0 mm，38.2 mm，114 mm，142 mm和164 mm。孔洞长度Lh=101.8 mm，其中h=38.2 mm，Lh=101.8 mm的孔洞尺寸为参考工业标准化开孔尺寸[2]。弯曲半径r=t，钢板的屈服强度fy=345 MPa，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3。构件编号规则如图2所示。

图1　试件截面形式

图2　构件编号规则

1.2有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181壳单元对构件进行建模[3]，本次分析模型只进行纯弯模拟，设计时取相同试件2个，并将2个试件背靠背通过工字型荷载连接件连接，模拟时在构件连接件的腹板上施加约束，一端约束X,Y和Z三方向的位移，另一端约束X和Y方向的位移，其中X为构件平面外方向，Y为竖直方向，Z为构件长度方向。为避免非研究区段对研究区段的影响，采用钢板对非研究区段的翼缘进行耦合处理。图3为开1个工业标准化开孔尺寸孔洞有限元模型图。

图3　1孔有限元模型图

2　有限元分析

有限元分析分为特征值屈曲分析和非线性分析两个阶段。首先进行特征值屈曲分析，在特征值分析的基础上得到试件可能的屈曲模态，在此基础上施加初始几何缺陷进行非线性分析，得出试件的破坏模式和极限承载力。初始几何缺陷取值依据文献[4]确定。薄膜残余应力和弯曲残余应力对构件具有相反的作用，可近似认为其相互作用抵消，故分析时不考虑其影响。

3　计算结果

表1～表3分别为腹板高200 mm，卷边20 mm，厚度3.0 mm时腹板开1孔、2孔和3孔对应的抗弯承载力有限元分析结果。从表1～表3中可以看出，随着孔洞高度的增加，开孔构件抗弯承载力较无开孔构件抗弯承载力的降低幅度呈上升趋势；当孔洞高度固定时，随着孔洞个数增加，抗弯承载力较无开孔构件的降低幅度呈下降趋势，但在开孔高度为38.2 mm，开孔个数为3个时承载力反而呈现出比不开孔构件大的现象。以工业标准化开孔尺寸为例，开1孔时承载力降低幅度为2.90%，开2孔时承载力降低幅度为2.19%，开3孔时承载力降低幅度为-0.38%。

表1　腹板1孔承载力

在同一截面参数下，随着开孔数目的增加，抗弯承载力降低幅度反而呈下降趋势，这是由于构件孔洞数目为1时，在研究区段中心位置腹板处的孔洞附近应力较为集中，承载力降低的幅度最大；在构件孔洞数目为2时，腹板处的孔洞附近应力分布较为均衡，抗弯承载力较1孔时降低幅度小；在构件孔洞数目为3时，腹板上孔洞附近应力随孔洞数目的增多分布更趋于均衡，抗弯承载力较不开孔构件略有上升。图4～图6分别为开1孔、2孔和3孔的工业标准化尺寸孔洞时对应的应力云图。

表2　腹板2孔承载力

表3　腹板3孔承载力

图4　开1孔构件应力云图

图5　开2孔构件应力云图

图6　开3孔构件应力云图

4　结语

通过对腹板开孔冷弯薄壁C型钢构件在纯弯状态下进行非线性有限元分析，得到以下结论：1)开孔降低了冷弯薄壁型钢受弯构件的抗弯承载力，随着孔洞高度的增加，抗弯承载力呈逐渐降低的趋势。2)在同一截面参数的情况下，随着开孔数目从1个增加至3个，构件抗弯承载力基本无变化，孔洞个数的变化对抗弯承载力影响不大。3)研究区段中心位置腹板处在构件开1孔时应力较为集中，在构件开2孔和3孔时应力较为均衡。

[1]郭小燕,姚勇,王欣.冷弯薄壁型钢结构住宅经济性分析[J].建筑技术,2011(5):455-458.

[2]Moen C D,Schafer B W.Experiments on Cold-Formed Steel Columns with Holes[J].Thin-Walled Structures,2008,46(10):1164-1182.

[3]王宇,王树,朱波.利用ANSYS Shell181单元分析钢结构问题[J].山西建筑,2006，32(12):32-34.

[4]王海明.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,2009.

Study on bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with web holes

Xu FengfengZhao Jinyou

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study the effect of web holes on the bending strength of cold-formed thin-walled C-section steel flexural members, finite element analysis were conducted on cold-formed thin-walled C-section steel flexural members with the different size and different number of web holes. The results show that the bending strengths of such members decrease with an increase of hole height, but has little change with an increase of hole number when such members display distortional buckling.

cold-formed thin-walled C-section steel, bending strength, finite element analysis, web holes

1009-6825(2016)21-0046-03

2016-05-14

徐锋锋(1990- )，男，在读硕士；赵金友(1977- )，男，副教授

TU311.3

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