冷弯薄壁型钢腹板开孔构件加劲参数研究★

武 胜 魏 源

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

近些年，轻型钢结构体系住宅在国外得到了广泛的应用，这种结构体系的主要材料为冷弯薄壁型钢。它具有如下的优越性：较强的抗震性能；抗风能力强；保温隔热效果好；耐久性好，美观等优点[1]。冷弯薄壁型钢是由多为0.5 mm～3.5 mm厚度的镀锌钢板经过多次横向弯曲而成[2]。它可作为承重结构，如框架、钢架等，也可用于围护结构或次要受力部分，如墙板和檩条等。

HF1和HF2是冷弯薄壁型钢可采用的两种截面形式[3]。其影响参数有：截面参数、孔洞参数、加劲参数等。其中加劲参数形式复杂，直接影响受弯构件的静力性能。加劲参数的变化可能会造成构件屈曲模式的改变。本文研究了加劲参数对HF1,HF2腹板开孔受弯构件的影响，并给出了推荐参数，可供设计采用。

1 HF1，HF2腹板开孔构件介绍

HF1和HF2截面的翼缘被冷弯成空翼缘的形式，如图1所示，有四种截面参数：截面高度h、截面宽度b、板件厚度t、构件长度l。有两种加劲参数：宽度由翼缘加劲宽度比b1/b参数控制，当b1<0.5b时可以形成左右非对称的截面形式，具体取值范围为0≤b1/b≤0.5，但截面总应至少有一个对称轴[3]；由参数h1来描述闭合区的高度，具体控制参数为闭合区高度比h1/h，取值范围为0

本文采用ANSYS有限元程序对HF1和HF2截面的腹板开孔构件进行受弯性能的分析，主要以横竖向加劲参数改变时对不同截面高度构件的影响为例来说明其影响规律。

2 建立有限元模型

在ANSYS程序中单元选用Shell181平板壳元。网格划分尺寸控制为0.025×构件表面积1/2mm[4]。采用半模型的建模方式，构件左端为简支约束，右端为对称端约束。在构件端部施加梯度分布力以模拟弯矩作用。建模的过程中使用了如下两种假设：1)认为冷弯效应和残余应力对构件产生的影响相抵。2)忽略不计截面弯角的影响。

3 加劲参数研究

3.1 抗弯承载力分析

表1列出了各种加劲参数随截面高度变化时对构件开孔后极限弯矩的影响。从表1中可以看到，在翼缘加劲宽度比b1/b中，除h=100 mm以外均呈现出如下规律：当b1/b=1/2时所获得的抗弯承载力最大，b1/b=1/10次之，b1/b=1/3时强度最低。以h=150 mm时的HF1截面构件为例，b1/b=1/2时所达到的极限弯矩较b1/b=1/3时提高了4.7%，如为HF2截面则可提高10.4%。而h=100 mm时规律有所不同，因为此时的b1/b=1/2构件的变形能力较弱且初始刚度较低，导致后期强度发展能力不足，所以极限弯矩最低。综上可知，在截面高度h≥150 mm时选择b1/b=1/2将会得到较高的抗弯能力，而当h=100 mm时应选择b1/b=1/10的截面。

与翼缘加劲宽度比参数相比，闭合区高度比对两种构件影响的规律性要弱一些。对于HF1构件，当h≤150 mm时，h1/h=1/3截面的抗弯能力最大，而当h>150 mm时，h1/h=1/4的抗弯能力最佳。以h=200 mm时为例，h1/h=1/4截面的抗弯能力最强，其影响幅度达到10%。h1/h参数对两种构件的影响不同。

3.2 屈曲模式和相对挠度分析

表1中我们可以看到，随着横向和竖向加劲参数的变化，两种构件的屈曲模式也呈现规律性的变化。图2展示了几种典型的屈曲模式及出现该模式时所对应的几何参数。由于构件在开孔之后变形能力会显著降低。所以当不开孔构件发生侧向弯扭的屈曲模式时，在开孔后可能会发生屈曲模式改变的现象，从而也影响了构件的延性和承载力。经试算后注意到变形能力越小的构件，越容易在开孔之后发生屈曲模式的改变。以不开孔的150 mm时HF1构件的b1/b参数为例，当b1/b=1/10和1/3时，相对挠度都较大，分别为1/188和1/268，并且在开孔之后没有改变屈曲模式。但相对挠度较小的b1/b=1/2情形，其相对挠度为1/288，开孔后由双轴屈曲变化成了单轴屈曲，而且伴有变形能力提升的趋势。一些常见的规律也可以在表1中找到。以HF1构件为例，当h=250 mm，h1/h=1/3时出现了单轴屈曲并伴有局部屈曲，这是由于此时的构件翼缘斜板宽厚比过大造成了此种屈曲模式的发生。再以HF2构件为例，当h=150 mm，b1/b=1/3时，构件翼缘、腹板比例适当，且各板件宽厚比适中，故发生双轴屈曲模式。值得注意的是，由于构件开孔原因，造成构件内部应力形式复杂，会有少数构件发生畸变屈曲，如图2b)所示，而且跨中相对挠度值较高。

表1 HF1,HF2受弯构件静力性能的加劲参数分析

3.3 弯矩—曲率曲线分析

图3分别是HF1和HF2构件在两种加劲参数变化下的弯矩—曲率关系曲线。其曲线的峰值代表了在该条件下的极限弯矩。可以看到，随着截面高度h的变化，曲线的形态和幅值也发生变化。而且在每种截面高度条件下，随着加劲参数的变化，曲线的上升段斜率大体不变，则加劲参数几乎不影响构件的刚度。但可以注意到，它会影响构件的变形模式，从而影响峰值强度和构件延性。以HF1构件在h=150 mm的横向加劲参数情形为例，当b1/b为1/10和1/3时，构件发生侧向屈曲的变形模式，即发生了整体失稳，M—θ曲线表现出明显的下降段，即屈曲后强度迅速降低。但b1/b=1/2时，左右对称的截面形成了绕强轴的单轴屈曲模式。其M—θ曲线接近水平走势，虽然构件弯曲程度不断增大，但一直保持较高的抗弯强度，且极限弯矩高于前两者。所以对于横向加劲参数推荐b1/b=1/2。构件会因发生局部屈曲而削弱其延性，所以为使构件有较好的延性，应避免设计成板件宽厚比过大的截面形式。

少数条件下会出现开孔后反而承载力提高的现象，这是由于屈曲模式改变后，构件增大了跨中挠曲量而达到更高的承载力。它表现为能在不开孔构件曲线的波峰处再向上延伸一小段距离，可在实际工程中将这一部分性能提升作为安全储备。

4 结语

1)在截面高度h≥150 mm时选择b1/b=1/2将会得到较高的抗弯能力，而当h=100 mm时应选择b1/b=1/10的截面。h1/h参数对两种构件的影响方式不同，在确定纵向加劲参数时，要避免板件宽厚比过大的情形，以防止局部屈曲的发生。

2)加劲参数变化会影响构件的承载力，几乎不影响构件的初始刚度，但可能会改变构件的屈曲模式。构件的翼缘和腹板比例适当时，一般发生双轴屈曲的变形模式。