BS700高强钢槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响因素

高 磊， 谢兴坤， 倪 明， 白林越

(陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007)

高强钢比普通结构钢具有更高的强度，能节省结构材料使用，但其材料延性差没有明显屈服平台，焊接困难，因此高强钢结构受力性能研究是工程界亟待解决的问题之一[1]。许多研究者对高强钢构件稳定性能展开了研究。Wang等[2]通过研究发现，高强钢的屈曲强度主要取决于两个参数，即为广义长细比(构件的长细比)和截面长细比。Degée等[3]研究了S355、S460和S690钢焊接箱形截面轴心受压构件的整体稳定，认为其整体稳定系数应该取欧洲规范a类曲线，而不是b类曲线。Li等[4-5]开展了Q690高强钢构件的轴压稳定性试验，利用有限元进行了参数分析并提出了设计建议公式。李国强等[6-7]对中厚板Q460焊接箱形轴心受压柱的极限承载力进行了数值模拟和试验研究。研究表明，对宽厚比小于20的构件，可采用高于普通强度钢的b类柱子曲线。班慧勇等[8]采用试验及有限元法研究了460 MPa箱形截面轴心受压柱的整体稳定性能，研究结果表明，随着钢材强度等级的提高，整体稳定系数有明显提高。薛加烨[9]对强度460、550和690 MPa箱形构件进行了轴压试验，表明高强钢构件整体稳定承载力有明显提高，现有规范过于保守。目前高强钢没有型钢，仅有板材，需要通过焊接形成各种截面，焊接产生的残余应力会对构件稳定性产生影响。许多研究者对高强钢焊接残余应力开展了研究。曹现雷等[10]采用线切割法对4个试件进行试验研究，分析腹板和翼缘板件宽厚比对残余应力的影响，研究各板间残余应力的相互影响及其自平衡性，提出了适用于Q800高强钢焊接工字形截面的残余应力分布模型并给出与板件宽厚比有关的计算公式。李国强等[11]进行了Q690高强钢焊接箱形截面试件残余应力试验，得到了箱形截面的残余应力分布模型，同时建立数值模型对箱形轴压构件进行了参数分析，基于试验和参数分析结果给出了焊接箱形截面轴压构件设计的相关建议。舒赣平等[12]对Q550高强钢焊接箱形截面构件进行了轴压试验，提出了一种焊接箱形截面残余应力分布模型。BS700高强钢材名义屈服强度700 MPa，已应用在一些桥梁结构中，但关于其稳定性的研究很少。本文利用有限元方法仿真焊接残余应力、翼缘宽厚比、长细比等因素对BS700槽形对焊箱型截面构件稳定性能的影响展开研究，可为进一步研究BS700槽形对焊箱型截面构件稳定计算方法提供有力支撑。

1 有限元分析模型建立

采用ANSYS软件开展相关数值计算，该软件可以利用APDL语言[13]进行参数化建模，适合开展大量不同截面尺寸、杆件长度构件的计算分析。

首先，建立基本有限元模型。单元类型采用shell181，该单元可以引入几何初始缺陷和残余应力。模型没有考虑截面的冷弯效应，没有倒角。为了确保荷载轴心加载到构件上，在杆件的两端加上了2块刚性板(此板的弹性模量较大)。施加约束时，约束两端板中央处的节点即可，采用简支约束。材料模型采用理想弹塑性模型，弹性模量2.06×105MPa，屈服点0.003 398，700 MPa。

其次，在建立基本有限元模型后，引入几何初始缺陷和残余应力。对于初始缺陷主要考虑其整体缺陷。引入时通过先进行特征值屈曲分析[14]，得到其一阶整体屈曲模态，将此模态乘以一定的系数后(控制最大初始缺陷值为构件长度的1/1 000)引入基本模型模块。对于残余应力，采用已有研究成果提出的如图1所示残余应力分布模式[15]。

图1 残余应力分布模式

通过APDL语言编制残余应力分布文件，以读入残余应力文件的方式将残余应力引入基本分析模型模块。读入残余应力后，截面上的残余应力云图如图2所示。

图2 施加残余应力后截面应力云图

整个有限元计算程序包含基本分析模型模块、几何缺陷引入模块、残余应力引入模块、求解模块和后处理模块等5个模块。所有的程序模块都采用参数化语言，方便根据具体数值分析要求更改模型。基于薄板的大挠度弹塑性理论，在大挠度弹塑性分析范围内采用弧长法追踪构件的荷载位移曲线，从而得到构件的极限承载能力[15]。

2 残余应力对构件稳定性的影响

计算了宽厚比分别为10、20、30、40、50的不同长细比下构件在有无焊接残余应力时BS700高强钢箱形截面轴压构件的稳定系数，对比结果如图3所示。

图3 有无残余应力时稳定系数差别百分比对比

由图3可知，当构件长细比介于20～70时，残余应力对构件稳定系数的影响较大；当构件长细比在区间外时，残余应力对构件稳定系数的影响相对较小。在宽厚比小于30时，不同长细比下有无残余应力对构件稳定系数影响较大，最大值超过10%。在此宽厚比范围内，由于残余应力特别是残余压应力的存在，截面上的应力出现如式(1)所示的叠加。

σz=σcr+σN

(1)

式中：σz表示截面失稳破坏时受压区某点最大应力；σcr表示对应点处的残余压应力；σN=N/A表示外力产生的压应力。

随着长细比的不同，σz呈现如式(2)所示的变化。

(2)

式中：σs表示屈服强度，σer表示欧拉临界应力。

由式(2)可知，长细比比较小时，无论截面有无残余应力，构件失稳破坏时应力都接近于屈服强度，因此残余应力影响较小；长细比较大时，无论截面有无残余应力，失稳破坏时应力接近于欧拉临界应力，此时残余应力影响同样较小；在中等长度长细比时，由于残余压应力的存在，使得构件部分截面提前进入屈服阶段，降低了构件刚度，破坏应力介于欧拉临界应力和屈服强度之间，而无残余应力构件可能接近于屈服强度或欧拉临界应力，这样导致存在残余应力构件的极限承载力比无残余应力构件降低较多，残余应力有显著影响。

当宽厚比较大时，构件出现板件弹性局部屈曲，此时残余应力的影响较小。长细比不同，影响也不尽相同，随着长细比增大，差别越来越大，在某一长细比差别达到最大值，随后差别减小。在中等长度长细比(40～70)时，此时接近于等稳性设计的长细比、宽厚比，残余应力影响较大，说明按等稳性设计的构件对残余应力比较敏感。原因如下：等稳性设计指的是板件的局部稳定与构件的整体弹性稳定相等时的设计，以本文研究的高强钢构件为例，板件的局部应力为

(3)

式中：k为板两端的约束嵌固系数；υ为泊松比，一般钢结构为0.3。

构件的整体稳定系数为

(4)

当二者相等时即σ=σcr可以得到

(5)

对于腹板，受压一侧的腹板受到上下翼缘的约束嵌固，其嵌固系数k介于一端固定一端自由(嵌固系数为1.28)和两端简支之间(嵌固系数为4)，当取中间值2.64代入式(5)中计算得到的长细比λ(宽厚比取30)结果接近63，介于40～70，说明按等稳性设计时，对残余应力这种缺陷比较敏感。

3 翼缘宽厚比对构件稳定性的影响

针对不同的翼缘宽厚比，在不同长细比和截面边长比下会出现不同的破坏模式。一种为整体屈曲破坏，一种为局部屈曲破坏，同时部分构件还存在局部和整体相关屈曲破坏。截面边长比为1和2时不同翼缘宽厚比下的荷载-轴向压缩位移曲线分别如图4～7所示。由图4～7可知，随着翼缘宽厚比的增加，构件屈曲模式逐渐由整体屈曲转为局部屈曲破坏。长细比越小、宽厚比越大，整体屈曲转变为局部屈曲速度越快。当翼缘的宽厚比较小时，荷载-轴向压缩位移曲线的斜率较大，说明此时具有较大的压缩刚度。

图4 长细比为15时不同截面宽厚比的荷载-轴向压缩位移曲线

图5 长细比为30时不同截面宽厚比的荷载-轴向压缩位移曲线

图6 长细比为50时不同截面宽厚比的荷载-轴向压缩位移曲线

图7 长细比为80时不同截面宽厚比的荷载-轴向压缩位移曲线

当长细比大于15时，随着长细比的增加，当经过极值点后，荷载-轴向压缩位移曲线下降速度越来越快，构件极限承载能力下降速度加快，变形变大；当翼缘宽厚比较大时，构件的荷载-轴向压缩位移曲线经过极值点以后出现较明显的下降段，降低了构件的压缩刚度，在弹性阶段曲线的斜率变小。

原因为具有较大宽厚比的构件在达到其极限承载能力之前，会发生翼缘或腹板的局部屈曲。板件的局部屈曲会削弱板件的有效截面，降低构件的有效刚度，从而加速构件的破坏。在部分构件下降阶段出现拐点，说明出现了局部和整体相关屈曲。

4 长细比对构件稳定性的影响

为研究长细比对构件屈曲的影响，对不同长细比的构件进行了屈曲分析。部分边长比、宽厚比条件下不同长细比的构件稳定系数曲线如图8所示。

由图8可知，长细比对不同翼缘宽厚比、截面边长比下构件稳定系数影响都较大，其原因如式(4)所示，临界应力受长细比影响较大。随着长细比的增大，所有构件稳定系数都降低。但是长细比对不同翼缘宽厚比及截面边长比构件稳定系数的影响不尽相同，对于小宽厚比(小于25)、截面边长比为1时(图8(a))，不同截面尺寸稳定系数下降趋势大致相同，原因为构件发生了整体屈曲，失稳临界应力接近于屈服强度或欧拉临界应力。当翼缘宽厚比较大或者截面边长比较大，长细比较小时，曲线差别较大(图8(c))，原因为构件发生了不一样的屈曲模式，此时失稳时的应力因长细比不同出现类似式(2)的3种情况。从图8还可发现，在中等长度长细比(50～70)时曲线却比较接近，说明此时构件发生的屈曲模式由不一致趋向一致，此时出现局部和整体相关屈曲的概率比较大。

图8 不同长细比对稳定系数的影响

5 结论

(1)构件长细比位于20～70时，残余应力对构件稳定系数影响较大。宽厚比小于30时，不同长细比下有无残余应力对构件稳定系数影响较大，最大值超过10%，宽厚比大于40时，残余应力对稳定系数影响不大。中等长细比(40～70)构件对残余应力相对比较敏感，在构件稳定性设计过程中，需注意这一影响因素。

(2)翼缘宽厚比对构件稳定性有较大影响，随着翼缘宽厚比的增加，构件屈曲模式由整体屈曲逐渐转变为局部屈曲破坏。较大翼缘宽厚比和边长比时伴随着局部屈曲的出现，承载能力下降较快。

(3)长细比对构件稳定性影响很大，随着长细比的增大，所有构件稳定系数都降低。但长细比对不同翼缘宽厚比和截面边长比下构件稳定系数影响不尽相同，对截面紧凑的构件(翼缘宽厚比、截面边长比较小)稳定系数区别不大，随着截面宽厚比、边长比变大，稳定系数差别变大。

本文研究的BS700高强钢槽形对焊箱形截面构件稳定性的影响因素，为下一步深入研究BS700高强钢槽形对焊箱形截面构件稳定性提供了有力的技术支撑。