角码连接件对CFS卷边拼合柱极限承载力的影响

张豪杰

(西南交通大学木工程学院， 四川成都 610031)

近年来，冷弯薄壁钢由于其易于加工且便于安装的优点，在建筑领域得到广泛应用。一般而言，CFS柱在轴压荷载作用下可能发生局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲[1-2]，在一定条件下，这3种屈曲模式还会出现两两相关或三者相关的耦合屈曲，即相关屈曲，而多肢拼合柱往往由于“板组效应”可以避免试件过早发生局部屈曲[3]；另一方面，随着科学技术的发展，传统的“背靠背”连接方式已经不能满足人们对于钢材安装灵活性的需求，而关于带有角码连接件等新型的的冷弯薄壁钢组合构件形式却鲜有报道，本文旨在探究角码连接件和初始缺陷对这种CFS构件极限强度的影响,为这一类通过角码连接件连接的CFS柱的设计提供了参考。

1 构件尺寸

单肢构件长度为2 590 mm，厚度为2 mm，高度为50 mm，宽度为150 mm，构件组合方式如图1(a)所示，构件与连接件之间采用螺栓连接，截面尺寸如图1(b)所示，连接件尺寸如图1(c)所示。

图1 构件、截面与连接件尺寸

2 有限元建模

2.1 网格划分及材料选择

使用Hypermesh完成面网格划分，并赋予壳单元2 mm厚度，单元类型选用减缩积分单元S4R，沿厚度方向设置5个积分点。建模时选用的材料为Q235钢，所用的材料数据如表1、表2所示。

表1 材料的密度、弹性模量与泊松比

表2 材料的弹塑性段力-位移数据

利用式(1)、式(2)求得其真实应力应变曲线(图2)。

ε*=ln(1+ε)

(1)

σ*=σ(1+ε)

(2)

图2 材料真实应力-真实应变曲线

2.2 边界条件与荷载施加

角码连接试件(SJ1)使用TIE约束代替螺栓的连接作用，边界条件为一端铰接，另一端只对沿杆件方向的位移不做限制而限制其他方向的位移为0，并沿构件方向施加位移荷载，将两端分别使用TIE连接至2个面，为方便计算面使用解析刚体，同时为了由于支座转动轴到接触面的距离，将解析刚体的参考点于几何中心向平面外偏移12 mm，两端都只允许其沿弱轴方向转动，为研究角码连接的作用，建立同尺寸同材料同截面同边界的对照试件(SJ2)。建立的有限元模型如图3所示。

2.3 有限元分析结果

本文使用Abaqus有限元分析软件首先进行了特征值屈曲分析，所用分析步为Bulking。1阶模态如图4所示。

图4 一阶屈曲模态

可以看到，相比简单拼合柱，角码连接件的使用减小了构件侧边的变形量，而对构件的临界半波数几乎没有影响。然后以第一模态为基准，分别取初始缺陷0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2.5 mm、3.5 mm、7.5 mm和10 mm，进行非线性屈曲分析，所用分析步为Riks。有限元分析中出现了畸变-局部-整体耦合屈曲模式，即先发生局部屈曲，在发生局部屈曲时，弧长法产生了极小段负弧长增量，有限元结果见图5。

图5 有限元分析结果

比较SJ1试件和SJ2试件的有限元分析结果，SJ1由于卷边的约束作用，应力相比SJ2试件更加集中在边上。屈曲形态上，SJ1呈现出明显的弯曲变形，而SJ2表现出明显的轴压变形。

3 数据分析

各缺陷下刚体面参考点的反力-位移曲线如图6所示，其中im005表示初始缺陷为0.5 mm，im010表示初始缺陷为1 mm，以此类推。

图6 各初始缺陷下参考点的力-位移曲线

可见，角码连接件一方面起到了传力的作用，另外一方面也增加了截面的抗弯刚度，从而增加了截面的极限强度。初始缺陷对SJ1和SJ2试件的极限强度均有较大影响，SJ2受到初始缺陷的影响更大，比较2个试件屈服点出现时的位移，可见初始缺陷几乎不会使SJ1屈曲提前发生，而SJ2受到初始缺陷的影响较大，但SJ1屈曲后强度的下降速度比SJ2要快，且SJ2下降速度随初始缺陷的增大而减小，但所有的试件的曲线于7 mm处汇集为一点。

4 结论

角码连接件一方面起到了传力的作用，另外一方面也增加了截面的抗弯刚度，从而增加了截面的极限强度，SJ1相比SJ2极限强度提高约25%。比较2个试件屈服点出现时的位移，可见初始缺陷几乎不会使SJ1屈曲提前发生，而SJ2受到初始缺陷的影响较大，缺陷为L/250的试件相比缺陷为L/5 000的试件达到屈服时的位移相差了1.5 mm，约为相差初始缺陷的15%，但SJ1屈曲后强度的下降速度比SJ2要快，在3～7 mm这个位移区间，在初始缺陷为L/5 000下的SJ1和SJ2极限强度分别下降了70%和25%，且SJ2下降速度随初始缺陷的增大而减小，但所有的试件的曲线于7 mm处汇集为一点。