基于ABAQUS的钢结构厂房T型梁载荷研究

何 芳

(安徽水利水电职业技术学院，安徽 合肥 231603)

钢结构厂房由于建设周期短、环保性能高、结构自身质量轻而强度高、工程总价较低，在建筑工程领域得到了快速推广和应用。钢结构厂房比钢混结构厂房跨度大，在长期的高负荷下，特别是暴雪等恶劣天气下，钢结构中的主要构件梁由于负载加重会发生疲劳损害，出现失效承载等状况，导致钢结构厂房时有垮塌发生。

在研究多次事故灾害后发现钢结构厂房在建造过程中，大量使用T形梁构件进行焊接堆叠，而T形梁在跨度较大情况下，存在荷载极限。为保证T形梁局部稳定且提高梁的稳定性和抗扭性能，需对其进行受力载荷极限分析[1]。本文基于ABAQUS进行了Q345钢制T型梁的载荷极限分析，分析结果可供钢结构厂房设计时参考。

1 T型梁稳定性理论分析

T型梁是梁的截面形状为T字型，竖向中间的位置为肋梁，T型两侧伸出部位叫做翼缘[2]。T型梁由矩形梁演化而来，和矩形梁最大的区别是剪除受到拉伸的区域材料、节约了材料和减轻了构件的自身质量、具备矩形梁一样的跨越能力，因而受到钢结构厂房设计者们青睐。但却忽略了T型梁的材料选型和受载荷关系，导致钢结构厂房存在设计安全隐患。

1.1 侧向屈曲分析方法的选用

根据能量准则，在外力临界载荷极限值时，临界状态的能量势能特征反映为从正定到非正定进行状态平移。此时T型梁稳定分析就转变成载荷下限值分析，变分势能趋于无限接近于0。常见结构稳定性屈曲研究方法有铁摩辛柯法、瑞利-里兹法、伽辽金法等。根据T型梁的结构特征，采用伽辽金法进行理论计算分析，利用变分方程式建立关系式，其优点是无需采用势能关系式，建立平衡势能微分方程即可满足实验需求[3]。但在分析过程中，需要进行挠曲分析的函数计算，计算过程稍微复杂，但相对于其它2种分析方式更为精确。

1.2 腹板翘曲分析

T型梁的腹板翘曲受力状态可简化为剪应力均匀分布在梁的四周，弯应力相等地分布在两侧。基于实验的快速性角度，将T型梁腹板按截面为常数分类进行计算。首先计算腹板受到纵向力不均匀作用应力翘曲变形情况，接着计算腹板纵向力和剪力均布作用应力变形情况，这一过程需要利用限界曲线进行辅助分析[4]。

1.3 稳定性影响因素分析

T型梁稳定极限的承载力与腹板的厚度尤为密切，对于不同厚度腹板的T型梁，其稳定极限承载力的值范围相差很大。经过对坍塌的钢结构厂房T型梁损伤数据分析表明，腹板的翘曲损伤是T型梁稳定破坏的主要形式，因此腹板的厚度直接决定了其稳定极限承载力的大小[5]。T型梁结构抗震延展性能越好，对恶劣环境的抵御能力越强，从而有效提高钢结构的使用寿命和安全性能。

从钢结构厂房安全性方面出发，本次实验采用Q345焊接钢板的形式形成T型梁，承担钢结构厂房跨度的载荷主体(图1)。

2 有限元模型建立及约束分析

在ABAQUS中对T型梁进行建模，根据实际受载荷情况,对Q345钢T型梁进行50 t位的载荷压力。且在该软件中将T型梁整体结构作适当的精简,按照精简后的结构进行3-D建模。在建模过程中创建多个关键点，在每一个关键点交叉处形成关联。将所有的接触都进行有效关联，关联数越多则与实际情况越接近，其分析结果也更为准确[6]。ABAQUS创建的T型梁整体受载荷建模结构如图2所示。利用ABAQUS进行加载约束过程分析。

2.1 网格划分

网格划分的原则是将应力集中或重要结构进行加密网格处理，次要结构进行稀疏网格划分[7]。本次实验中，对于自由边界和载荷分布的交叉点、突变载荷强度点及T型梁支撑作用点均划分为特殊节点，实验结构外形和划分后的网格尽可能重合，把相同材料和厚度网格放在1个单元内，使纵横比趋近于1。

2.2 施加边界约束

对边界进行施加约束，对约束对象的压应力、约束力矩、受力温度等边界进行约束分析。选取模型底部的所有节点，在ABAQUS弹出的对话框中选择“ALL DOF”并输入其位移值0，按照实验数据施加X、Y、Z3个方向的约束条件。

2.3 施加载荷

ABAQUS采用集中应力逐步增加的方式，选取模型中3个T型梁的翼缘部分的节点共158个，输入值-500000/158后，结束加载过程。

2.4 计算及后处理

根据ABAQUS分析计算后读出结果，即Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set，得到整体变形云图3。

图3 T型梁整体受载应力云 图4 T型梁加载压力后模型的应力云

3 载荷计算结果分析

3.1 强度分析

分析结果显示，T型梁整体受载荷应力极限区发生在底层T型梁腹板与上层顶板的连接处，最高应力值约400 MPa，应力集中发生在顶板与腹板集合区，Vonmise应力值约480 MPa，其余区域Vonmise应力值很小。整体T型梁受到的载荷Vonmise应力值最大为493.481 MPa。其应力云图如图4所示。

3.2 刚度分析

加载50 t压力后，整个加载模型最大变形位移0.555 mm，位于底层的T型梁整体变形位移分布均匀,无应力突变区域。可知整个实验模型的应力值符合实际要求，实验数据在理论值范围之内。

4 结论与讨论

以上模拟实验均在ABAQUS下进行，实验选定Q345钢作为制造T型梁的材料，根据T型梁整体受压应力情况分析，采用ABAQUS处理受压过程中所涉及的非线性力学和载荷受力等问题，均能够得到比较直观的分析数据，且分析结果较为接近真实情况。结果表明，Q345钢T型梁在受载50 t压力后仍能保持屈服性能。此外，ABAQUS还提供了种类丰富的用户子程序接口，用户可根据需要编写特殊的材料和结构关系曲线、复杂的载荷和边界条件以及灵活多样的用户单元等，这些功能在T型梁或其它钢构受力情况分析时都取得了广泛应用[8]。