冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱偏心受压有限元分析

张秀华　曾紫嫣

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨　150040)

随着国家关于“节能环保、绿色建筑”理念的推广，近年来在钢结构领域关于钢组合结构的研究逐渐开展起来。国内科研人员提出了一种新型环保结构——钢—竹组合结构。这种结构以冷弯薄壁型钢和竹材人造板为主要材料，采用结构胶及自攻螺钉进行连接，可充分发挥钢材的轻质高强与竹材的低碳环保两种材料的优势，同时利用两种材料协同工作效应，有效缓解钢结构稳定性差而竹材经济性低的问题。随着研究的开展，目前国内外对钢—竹组合结构的研究成果正日趋完善：宁波大学课题组对冷弯薄壁型钢—竹胶板组合结构进行了重点研究，包括冷弯薄壁型钢—竹胶板组合梁的抗弯及抗剪性能、组合楼板的抗弯及抗震性能、组合柱的轴心及偏心受压性能、梁—柱节点的受力性能以及组合墙体抗震性能的研究，得到了以上构件的破坏特征及承载力公式[1-8]。同时，东北林业大学课题组对重组竹材料进行了力学性能测试，证明重组竹可以良好地应用于钢组合结构中；并对冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱进行了轴心受压试验，得到其破坏形态并推导出承载力公式[9,10]。

ANSYS软件就是有限单元法作为理论基础的一款大型通用有限元软件。使用ANSYS软件，选取合理的材料本构关系，建立有限元数值模型，能够方便地修改影响因素，在很大程度上节约了试验成本，避免重复试验。本文基于ANSYS建立冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱的三维模型，模拟了在偏心受压情况下，冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱的变形和破坏情况，并分析了组合柱在偏压过程中的钢与竹内部的应力、应变及组合柱的轴向变形等。

1　有限元分析模型

1.1　材料本构关系

应力应变关系是反映力学性能的物理关系，能够很好地描述构件在受力过程中材料力和变形的关系，是材料微观机理的宏观表现，在结构强度和变形计算中占有重要地位。要对冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱进行偏心受压下的数值分析，必须先确定重组竹板、薄壁方形管和结构胶的应力应变关系模型。

重组竹为各向异性材料，其真实本构关系十分复杂。因此在进行冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱偏心受压力学性能弹性分析及屈曲分析时，将重组竹板视为各项同性材料。影响构件承载力主要是由屈曲和粘结剂开裂引起，重组竹板并未达到极限状态，因此在开裂分析中，可以认为重组竹板在平面内的水平向和竖向为各向同性材料。在整个受力过程中，该平面内重组竹板处于弹性阶段，即为理想弹性材料。

冷弯薄壁型钢采用Q235钢，为低碳软钢。两种材料参数如表1所示，钢材和重组竹简化的本构模型关系如图1所示。

表1　材料参数

1.2　建立分析模型

采用有限元软件ANSYS15.0建立组合柱试件的有限元模型。根据试验试件建立冷弯薄壁型钢—重组竹组合柱的整体三维模型。分别对单块重组竹板、冷弯薄壁型钢一侧钢板进行建模，通过组装形成整体试件，并复形制成箱型截面，以试件Z2为例，有限元模型如图2所示，网格划分如图3所示。

对冷弯薄壁型钢采用Shell181单元，重组竹板采用Solid95单元进行建模，并利用Conta175设置面与面的接触关系；自攻螺钉在组合柱中起固定和连接薄壁型钢与重组竹的作用，螺纹的应力应变状态可不作考虑，因此可以不对螺纹精确建模，仅在螺钉和螺孔内表面建立绑定约束来模拟其工作状态。

对于边界条件的处理，首先分别在组装部件上下截面形心处建立参考点，并通过耦合解除关系保证柱上下截面与参考点变形协调，底部参考点约束U1,U2,U3三个方向的自由度，模拟铰接制作。在顶部参考点上逐级增加均布荷载，以模拟荷载施加情况。

2　有限元分析结果

2.1　各材料应力云图

在试验加载过程中，认为组合柱位移变形迅速增长或局部破坏较严重时达到极限状态。在分析中，当控制点反力达到组合柱极限强度时各材料的应力分布云图，如图4所示。

由图4可知，冷弯薄壁型钢的应力远大于重组竹所受应力，由于钢弹性模量1.98×105MPa与重组竹弹性模量1.06×104MPa相差过大，故在二者竖向位移相同情况下，冷弯薄壁型钢的应力远大于重组竹。

2.2　长细比和偏心距的影响

调整组合柱的长度为900 mm,1 500 mm,1 800 mm,2 100 mm,2 400 mm,2 700 mm六种类型，每种长度的组合柱分别测试其在偏心距为0 mm,20 mm,40 mm下的极限承载力结果,如表2所示。

表2　有限元模拟结果

可以得出如下结论：1)无论偏心还是偏心受压构件，承载力随长细比的增加而降低，而偏心受压构件的弯矩—压力二阶效应随长细比的增加越发明显。2)随着试件长度的增加，每一级长细比的增加虽然会降低试件的极限承载力，但其影响效果在长细比λ<44.77的短柱阶段并不显著。试件的长细比λ>44.77时，长细比的影响才比较明显。3)对比同一长细比下的不同偏心距的三个试件，可以看出：对于轴心受压柱，长细比从λ=22.39增加到λ=67.16时，极限承载力降低了26.1%；对于偏心距20 mm的受压柱，长细比从λ=22.39增加到λ=67.16时，极限承载力降低了35.9%；对于偏心距40 mm的受压柱，长细比从λ=22.39增加到λ=67.16时，极限承载力降低了39.9%。显而易见，偏心距对试件承载力相较于长细比有着非常巨大的影响。4)当长细比λ>67.16时，试件已属长柱范围，具有较高的柔度。此时即使偏心距只有20 mm，也会使试件的承载力降低40%左右。可见对于长柱而言，偏心距对承载力的影响更加显著。

3　结语

冷弯薄壁型钢—重组竹组合结构是一种新型结构形式，本文通过有限元软件ANSYS建立模型来研究不同柱高和偏心率对试件极限承载力的影响，得到以下结论：1)破坏时承受应力最大的材料为胶层，其次是冷弯薄壁型钢，最后是重组竹。因此，胶层可以看做本组合构件的薄弱环节，在实际应用中应尽量保证胶层的强度。2)偏心距和长细比对承载力都有着非常重大的影响。特别是对于长柱而言，偏心距的影响更为显著。在实际工程中应采取一定措施减小柱的计算长度以提高稳定性。同时还应避免偏心的产生。3)有限元方法中设定的条件较实际工程理想化，故有限元方法得到的模拟结果较实际应偏大。如果要以有限元方法计算冷弯薄壁型钢偏心受压柱的承载力，应对结果进行一定的折减考虑。

参考文献:

随着国家和山东省地下水监测工程的实施，山东省地下水长期监测点密度达到了0.98个/100km2，站网布局得到有效优化完善，监测范围覆盖全省17个市、涵盖3大水文地质区(表1)和14个亚区，控制面积达15万km2，加强了对地下水超采漏斗区、地面沉降中—强发育区、岩溶塌陷易发区、大中型水源地等重点地区的监测能力，基本实现了“区域控制和重点监测相结合”监测目的，地下水监测能力得到有效提升。全省17市地下水监测点分布见图2，国家和山东省地下水监测工程实施前后监测站网布局情况见图3和图4。