腹板开孔冷弯薄壁C形钢非纯弯构件有限元分析

饶 敏 袁修文 张 成

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

在实际工程中常常因电路、管线的安装及结构侧向支撑的布置在冷弯薄壁型钢构件的腹板上开设孔洞[1]。以往国内外学者对腹板开孔冷弯薄壁C形钢受弯构件的屈曲性能研究较少且主要集中在纯弯工况下的研究[2,3]，但在实际工程应用中受弯构件常处于非纯弯受力状态。因此，本文通过对不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的冷弯薄壁C形钢非纯弯构件进行有限元分析，探究腹板开孔对此类非纯弯构件屈曲模式及抗弯承载力的影响规律。

1 构件设计及有限元建模

1.1 构件尺寸设计

未开孔构件及开孔构件的截面参数定义如图1所示。构件长度为2 520 mm，中间研究区段长度L=1 200 mm。选取板件厚度t=2.0 mm,2.5 mm和3.0 mm，腹板高度H=160 mm,180 mm,200 mm和220 mm，所有构件翼缘宽度B均为80 mm，直卷边长度d=40 mm。开孔构件均在研究区段中点腹板上开设一个孔洞，如图2所示。孔洞高度A通过孔高比(A/H)来确定，本文选取孔高比A/H=0.2,0.4,0.6和0.8。孔洞的长度按照工业标准化开孔尺寸取Lh=101.6 mm[2]。板件间弯曲内径r=t。构件编号规则见图3。

1.2 有限元建模

采用ANSYS12.0中的Shell181壳单元对构件、盖板及连接件进行建模。两个相同构件通过荷载连接件和支座连接件背靠背连接，在构件非研究区段的翼缘上布设盖板以减少非研究区段对研究区段的影响。通过耦合连接模拟盖板与构件之间以及构件与连接件之间的螺栓连接。分析时在支座连接件的腹板底面节点上施加约束，一端约束两个方向上的位移以模拟转动铰支座，另一端约束三个方向的位移以模拟固定铰支座。集中荷载施加于荷载连接件的腹板顶面节点上。钢板的材料属性：屈服强度fy=345 MPa；弹性模量E=2.06×105N/mm2；泊松比v=0.3。有限元模型如图4所示。

2 有限元分析

有限元分析分两个阶段进行：第一阶段，特征值屈曲分析以获得构件可能发生的第一阶屈曲模态；第二阶段，非线性分析，在第一阶段分析结果基础上对构件施加初始几何缺陷进行非线性分析，得出构件的屈曲模式和抗弯承载力。初始几何缺陷取值依据文献[4]中实测结果确定。构件残余应力及因弯曲造成的材料屈服强度提高对构件承载力具有相反作用，二者被近似视为相互抵消，故分析时不作考虑。

3 有限元计算结果分析

不同孔高比的构件均发生了以局部屈曲为主的局部—畸变相关屈曲破坏。由于非纯弯构件的研究区段受梯度弯矩作用，因此，局部屈曲易发生在弯矩最大的加载点附近的受压翼缘上(如图5a)～图5c)所示)，以板厚t=3.0 mm的构件为例)。当孔高比增大到0.8时，开孔处截面削弱过于严重，板件折减厚度过小，即宽厚比变得很大，明显的局部屈曲发生在孔洞上方的受压翼缘上(如图5d)所示)，以板厚t=3.0 mm的构件为例)。

如图6所示为构件抗弯承载力随孔高比的变化规律(以板厚t=3.0 mm的构件为例)。当孔高比由0增大至0.6时，大部分开孔构件抗弯承载力相比于未开孔构件变化不明显；当孔高比进一步增大至0.8时，构件抗弯承载力会出现大幅陡降的现象。构件抗弯承载力的变化规律与屈曲模式密切相关，当孔高比不大于0.6时，开孔构件发生了以局部屈曲为主的局部—畸变相关屈曲，且局部屈曲变形主要发生在加载点附件的受压翼缘上，与未开孔构件屈曲变形一致，又因局部屈曲受梯度弯矩影响小[5]，所以抗弯承载力—孔高比曲线基本保持水平；当孔高比增大至0.8时，构件同样发生了以局部屈曲为主的局部—畸变相关屈曲，但局部屈曲变形主要发生在孔洞上方的受压翼缘上，说明孔洞对腹板刚度的削弱已非常严重，孔洞周围的应力集中现象使构件抗弯承载力大幅陡降。

4 结语

通过对不同孔高比、不同板厚和不同腹板高度的腹板开孔冷弯薄壁C形钢非纯弯构件进行有限元分析，得出以下结论：

1)不同孔高比的构件均发生了以局部屈曲为主的局部—畸变相关屈曲破坏。2)当孔高比不大于0.6时，与未开孔构件相比，开孔构件抗弯承载力变化不大；当孔高比进一步增大至0.8时，构件抗弯承载力大幅陡降。