Q690焊接箱形高强钢柱稳定性能数值模拟

(华南理工大学 广东 广州 510641)

一、研究背景

随着钢材生产工艺发展,钢材的强度得到大幅提高。然而国内外对高强钢结构的设计理论[1]还不完善，针对高强钢结构的稳定性研究很少，不足以提出有关高强钢构件极限承载力的计算公式。因此，现有的稳定设计方法能否适用于高强钢，还需进行相应的试验和数值研究，以保证结构的安全性。本文就Q690钢材箱型轴压构件进行稳定性能数值研究。为进一步试验研究及理论设计提供依据。

二、有限元分析

(一)模型简述

本文采用ABAQUS软件建模数值分析，分别就残余应力、初始弯曲对Q690钢材构件屈曲的极限荷载的影响，建立考虑残余应力和初始弯曲、只考虑初始弯曲、只考虑残余应力以及不考虑残余应力和初始弯曲等4个模型对比分析，试件均为300×300×6方钢管柱，柱长为3米。

(二)建模方法

本文模型单元采用常规壳单元(图1)。厚度均取6mm。赋予截面属性时设置沿外围偏移。本构关系采用理想弹塑性模型，弹性模量取210Gpa，泊松比取0.3。塑性特性取文献[2]塑性模型先文献试验参考数据屈服强度设为705MP，应变0,塑性变形后应力750MP形变为0.076。网格采用S4R四节点减缩积分壳单元分析，单元形状取四边形结构，并采用沙漏控制。采用种子尺寸为15。对于边界定义，通过耦合面于点的方法来避免截面应力集中(图2)，即在截面两端中心位置设置两个参考点RP-1和RP-2，并将上下截面的所有自由度耦合至对应的参考点，此时截面等效为刚性。上下两端约束均加在参考点上(图3)，上端RP-1点设置为U1=U2=UR3=0，下端RP-2点设置为U1=U2=U3=UR3=0。加载时采用逐步施加荷载的方式，在RP-1点施加沿Z轴负方向的位移荷载。

图1 壳体单元 图2 边界耦合 图3 边界设置 图4 残余应力模拟

(三)残余应力及初始缺陷设置

本文分三步施加荷载分析,第一步均在复制的模型中进行，根据规范EU3中,进行特征值屈曲(Buckle)分析,求解得到柱子的屈曲模态作为初始缺陷参考，分析前，在edit keywords末尾输入“*Output,field,variable=PRESELECT*NODE FILE,GLOBAL=YESU,”得到包含模型初始缺陷信息的fil文件，其次根据文献[2]试验研究，采用温度场施加荷载模拟焊接后应力作为残余应力参考(图4)，分析后，在可视化中点击报告，将该应力偏量S11，S22,S33,S12按照相应的编码以dat文件保存。第二步，将柱截面初始缺陷或残余应力作为初始状态输入模型。具体操作：输入初始应力时，在目标模型edit keywords中，以 initial conditions,type=stress,input=文件名.dat输入至模型。输入初始缺陷时，在目标模型edit keywords中输入“imperfection,file=buckling,step=1,1,3”至模型。第三步施加轴压荷载,分析步采用极限破坏分析(Static risk),采用弧长法并考虑几何非线性进行求解。同时,施加荷载的数值应通过几次试算,使得最终计算得到的收敛最大弧长接近1,以保证结果具有较高的精度。

(四)结果分析

采用上述的建模方法，同时考虑残余应力与初始弯曲，模拟与文献[2]试验试件，并将分析结果与试验现象进行校核，模拟较好。

当同时考虑残余应力以和初始弯曲时，根据图5a可知，构件此时发生了局部屈曲，由于板的宽厚比小，截面面积较大，加上初始弯曲以及残余应力的共同作用，易发生局部失稳，在弧长位移3.59mm时，屈曲极限荷载为325.9kN，并将分析的结果与文献[3]理论计算公式进行对比,后者得出的局部屈曲临界荷载为243.36kN,两者相差25.3%。由此可见按照普通钢材考虑板件约束以及宽厚比的影响得出的局部稳定临界荷载值过于保守，不适用于高强钢;当只考虑初始弯曲时，如图5b所示，由于不考虑残余应力的影响，局部失稳后可继续承受额外的荷载，但由于中间弯曲大于构件长度的千分之一，主要影响构件危险部位的分布，造成局部失稳在中间点先于其他点破坏。中间处应力超过690Mpa，随后发生整体失稳现象。在弧长位移在13.2mm时，整体失稳临界荷载为890.92kN；当只考虑残余应力时，如图5c所示，由于未考虑初始弯曲，模态各点初始缺陷小，造成整体先于局部失稳。在弧长位移等于4.61mm时，作用力达到486.251kN，为整体失稳临界承载力；当残余应力和初始弯曲均不考虑时，如图5d所示，此时构件也发生整体失稳。在弧长等于13.13mm时，作用力达到1242.13kN，为整体失稳临界承载力。

a 考虑残余应力和初始弯曲 b 只考虑初始弯曲c 只考虑残余应力 d 不考虑残余应力和初始弯曲

三、结论

(1)残余应力和初始弯曲对高强度箱型柱稳定性能影响均有较大影响，且前者影响更大。因此加工该类钢柱时，需采用合理处理方式削弱两者的影响。

(2)建立的有限元模型考虑了几何初始缺陷及截面残余应力，能够准确预测国产Q690高强钢焊接箱形截面轴压柱的整体稳定承载力。

(3)有限元模型分析得到的整体稳定系数明显高于我国规范相应的设计曲线，表明Q690高强度钢材焊接截面柱的整体稳定系数较普通钢材钢柱有明显提高。规范公式过于保守，需要更多相应的研究提供一个针对高强钢完善的公式。