（终稿）畸变论文

冷弯薄壁C型槽钢畸变屈曲的有限元分析及防治措施 冷弯薄壁槽钢柱畸变屈曲的有限元分析及一种控制措施 顾建飞1 ，姚谏1 ，钱国桢2 （1．浙江大学 土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系，杭州 310027；2．杭州天元建筑设计研究院，杭州 311201） 摘要：冷弯开口薄壁型钢构件的失稳模式主要有三种：局部屈曲，畸变屈曲，整体屈曲（弯曲失稳或弯扭失稳）。但对于冷弯薄壁槽钢而言，畸变屈曲通常起控制作用。本文利用有限元分析了冷弯薄壁卷边槽钢在轴向压力和对称平面内弯矩共同作用下的受力性能，提出了一种能有效防止构件发生畸变屈曲的方法，供工程设计参考采用。 关键词：冷弯薄壁型钢 卷边槽钢 畸变屈曲 有限元分析 Finite Element Analysis and One Solution to Distortional Buckling of Cold-Formed Channel Columns GU Jianfei1，YAO Jian1，QIAN Guozhen2 （1．Department of Civil Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China； 2．Hangzhou Tianyuan Architectural Design and Research Institute，Hangzhou 311201，China） Abstract：Open cross-section, thin-walled, cold-formed steel columns have at least three competing buckling modes: local, distortional, and flexural-torsional buckling. For cold-formed lipped channel sections, the distortional buckling mode is often the strength-governing mode among the several possible buckling modes. This article uses the finite element analysis to investigate the strengths and behavior of cold-formed lipped channel columns subjected to combined axial compression and uniaxial bending in the plane of symmetry，and provides a effective solution for preventing channel columns from distortional buckling. Keywords：cold-formed steel；lipped channels；distortional buckling；finite element analysis 1 引言 随着材料科学的发展，钢材的强度不断提高，冷弯型钢的壁厚变得越来越薄，因此当用作柱或梁时，很容易发生局部屈曲和畸变屈曲。畸变屈曲与局部屈曲不同，是压应力作用下连接截面上各板单元的纵向棱线间产生相对位移而导致构件整体承载力降低的一种屈曲模式。对于应用较广的卷边槽钢而言，畸变屈曲的模式就是翼缘连同卷边一起绕着腹板和翼缘的连接点发生旋转，截面轮廓发生了改变，如图1b所示。 国外对于畸变屈曲的研究起步较早，并且取得了一些理论性的成果。国外学者Lau和Hancock等人研究了冷弯薄壁槽钢在轴心荷载作用下的畸变屈曲和受弯作用下的畸变屈曲，建立了简化计算模型，并提出了相应的畸变屈曲荷载的计算公式[1-2]，并已被澳大利亚和新西兰国家规范采用。最近我国学者滕锦光和姚谏等人又把上述方法推广应用到压弯构件中，并提出了冷弯薄壁槽钢在轴向压力和单向弯矩（在对称平面内受弯）共同作用下的畸变屈曲荷载的计算公式[5]。Davies和Leach等人利用广义梁理论也得出了一些畸变屈曲荷载的计算公式[3-4]。此外，还有研究人员利用有限元（条）方法和试验方法对畸变屈曲进行了研究 [7-9]。 畸变屈曲和局部屈曲模式一样，会导致结构承载力的明显降低并危害结构的整体安全，所以在工程设计中必须采取措施加以防范。我国学者陈绍蕃通过对卷边槽钢的局部相关屈曲和畸变屈曲的研究发现，对于冷弯薄壁卷边槽钢而言，截面的高宽比和卷边宽度这两个 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 对于槽钢的畸变屈曲有着很大的影响，当截面的高宽比大于1.6且卷边具有足够宽度时，畸变屈曲的应力一般都大于局部屈曲的应力。所以用限制截面尺寸的方法来控制畸变屈曲的发生是一个非常有效的方法，我国的卷边槽钢的规格中的腹板高度和翼缘宽度的比值为2~3，所以畸变屈曲一般不起控制作用，建议规范中把局部屈曲和畸变屈曲结合在一起应是简单可行的[7]。 但在其它很多情况下，畸变屈曲通常起着控制作用，即畸变屈曲应力要低于局部屈曲应力[5]。随着社会的不断发展，冷弯薄壁型钢的截面将趋向于多样化，由于不同的功能需求而要采用不同的截面尺寸，所以如果采用限制截面尺寸来预防畸变屈曲的方法不是最佳选择。对于畸变屈曲，有一个很主要的影响参数，那就是屈曲半波长λ。一般来说，局部屈曲的半波长较短，整体屈曲的半波长较长，而畸变屈曲的半波长介于两者之间。通过研究还发现，槽钢发生畸变屈曲的半波长主要跟截面的参数有关，而荷载偏心对畸变屈曲的影响可以忽略不计[5]。所以基于半波长的理论，并结合有限元的分析，本文提出了一种新的措施来控制畸变屈曲的发生，那就是沿槽钢构件的长度方向，在两个卷边之间添加一定数量的连杆，以此来阻止翼缘及卷边发生扭转变形，即防止槽钢发生畸变屈曲。 （a） （b） （c） 图1 三种屈曲模式 图2 槽钢截面参数 （a）局部屈曲；（b）畸变屈曲；（c）整体屈曲 （单位：mm） 2 冷弯薄壁槽钢柱的力学模型 本文首先建立一个冷弯薄壁卷边槽钢的力学模型，为了研究冷弯薄壁卷边槽钢在轴向压力和单向弯矩（在对称平面内受弯）共同作用下的受力性能，建立力学分析模型，如下所述： 截面参数（如图2所示）：腹板高度bw=120mm,翼缘宽度bf =90mm,卷边宽度d=15mm,厚度t=1.5mm。 材料：理想弹塑性材料，弹性模量E=200×103MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度fy=345MPa。 半波长：根据文献[5]提供的公式可计算得到半波长λ=720mm。 构件长度分三种情况考虑：（1）取一倍的半波长，即L=λ=720mm； （2）取两倍的半波长，即L=2λ=1440mm； （3）取三倍的半波长，即L=3λ=2160mm。 约束条件：构件一端为支座，可绕y轴转动，其余5个自由度约束住。 另一端为加载端，可绕y轴转动和沿z轴平动，其余4个自由度约束住； 加载方式：在构件加载端施加集中荷载，采用位移控制加载法。 3 有限元分析 有限元分析可以很好地预测冷弯薄壁型钢的屈服荷载、极限荷载和复杂的破坏模式[6]，因此本文利用有限元程序ABAQUS6.4来分析卷边槽钢在偏心荷载作用下的受力性能，。 网格划分：腹板：24mm×12mm；翼缘：24mm×10mm；卷边：24mm×7.5mm。 单元：采用S4R5薄壳单元。 分析过程中，考虑了材料非线性和几何非线性的影响，但没有考虑初始缺陷的影响，结果见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1至表3和图3所示。 表1 槽钢在偏心荷载作用下的受力性能（L=720mm） 偏心距e (mm) 屈曲荷载Pd1(kN 或kNm) 屈曲模式 0 74.0 L 1 76.2 L 5 91.8 D 10 89.5 D 15 66.3 D 20 60.0 D 25 58.1 D 30 54.2 D 纯弯 2.2 D * L代表局部屈曲，D代表畸变屈曲。 表2 槽钢在偏心荷载作用下的受力性能（L=1440mm） 偏心距e (mm) 屈曲荷载Pd2(kN 或kNm) 屈曲模式 0 72.9 L 1 75.8 L 5 65.8 D 10 55.9 D 15 49.5 D 20 44.5 D 25 40.5 D 30 37.9 D 纯弯 2.1 D 表3 槽钢在偏心荷载作用下的受力性能（L=2160mm） 偏心距e (mm) 屈曲荷载Pd3(kN 或kNm) 屈曲模式 0 72.9 L 1 76.2 L 5 65.8 D 10 55.9 D 15 49.9 D 20 45.0 D 25 40.5 D 30 36.8 D 纯弯 2.2 D 由表1至表3的数据可见，长度为1440mm和2160mm的槽钢构件的屈曲模式和屈曲荷载基本一致（最大误差<5%），长度为720mm的槽钢构件由于两端支座的约束作用，屈曲荷载偏大，特别是畸变屈曲控制时。从屈曲模式来看，除了在轴压和偏心极小情况下构件发生局部屈曲（图3a）以外，在其它各种偏心荷载和纯弯的作用下，构件均发生畸变屈曲（图3b和图3c），说明在荷载偏心的情况下，槽钢的畸变屈曲荷载要小于局部屈曲荷载。在文献[5]中也提到了类似的情况，说明这并不是一个偶然现象，所以冷弯薄壁槽钢柱的畸变屈曲应引起足够的重视，实际设计中应采取必要的措施予以防范。 （a）轴压时； （b）偏心时； （c）纯弯时 图3 槽钢的屈曲模式（L=2160mm） 4 畸变屈曲的控制措施 前文中提到，通过限制截面的几何尺寸，能防止冷弯薄壁槽钢发生畸变屈曲 [10]。但随着社会的发展，由于不同的功能需求而要采用不同的截面尺寸，所以采用限制截面尺寸来预防畸变屈曲发生的方法不是最佳选择。本文从屈曲半波长的角度出发，提出一种简单有效的方法来预防槽钢发生畸变屈曲。由图3可见，畸变屈曲的现象主要表现为：两个卷边相互靠拢或者相互远离。根据这一现象，同时结合半波长的理论，本文提出了一个方法，就是沿构件长度方向添加若干连杆，把两个卷边连接住，以此来阻止翼缘及卷边的扭转变形，从而防止或延缓畸变屈曲的发生，提高构件的承载能力。 沿构件长度方向连杆的设置，本文考虑在长度为2160mm的槽钢上加5根连杆如图4所示，即取连杆间距S=360m=λ/2。利用有限元对各种情况进行力学分析，计算结果及与不设连杆时的比较分别示于表4。分析时采用的连杆几何尺寸、与卷边槽钢的连接方式和采用的单元形式如下： 杆长：L1=90mm，即槽钢卷边之间的间距。 截面：按连杆的最大长细比不大于200采用半径r=0.9mm的钢丝。 连接方式：杆件与槽钢的卷边之间采用铰接的连接方式。 单元：采用B32单元。 图4 连杆布置图 表4 加连杆的槽钢在偏心荷载作用下的受力性能（L=2160mm） 偏心距e (mm) 屈曲荷载Pd4(kN 或kNm) 屈曲模式 Pd4/Pd3 0 72.9 L 1.00 1 76.2 L 1.00 5 85.3 L 1.30 10 88.7 Q 1.59 15 76.0 Q 1.52 20 67.3 Q 1.50 25 60.0 Q 1.49 30 54.5 Q 1.48 纯弯 3.3 Q 1.50 * Q代表强度屈服。 由表1至表4的计算结果可见，槽钢添加连杆以后，在偏心荷载和纯弯的作用下，畸变屈曲荷载有了显著的提高，而且畸变屈曲已不再出现。由于连杆件所受内力很小，因此按受压支撑杆件的最小长细确定其截面尺寸即可。 （a）轴压时； （b）偏心时； （c）纯弯时 图5 添加连杆后卷边槽钢的屈曲模式（L=2160mm） 此外，分别取连杆间距为畸变屈曲半波长和四分之一半波长，即分别取S=720mm和180mm，对表4示各种受力情况也进行了有限元分析。结果表明，当连杆间距取S=720mm时，屈曲荷载几乎和不设连杆一样（最大误差<1%）；当连杆间距取S=180mm时，计算结果与取S=360mm时几乎没差别（最大误差<1%），因此连杆的合适间距是畸变屈曲半波长之半。 5 结语 本文利用有限元对槽钢的畸变屈曲进行了分析，结果表明，在偏心荷载作用下，冷弯薄壁槽钢构件的屈曲模式主要以畸变屈曲为主。为了避免这种屈曲模式的发生，本文从半波长的角度出发，结合有限元的分析，首次提出了一种预防畸变屈曲发生的措施，即沿槽钢构件长度方向布置若干连杆连接两卷边。连杆的间距建议取槽钢畸变屈曲半波长λ的1/2，连杆截面按长细比λ≤200选用即可。这一方法有效而简单实用，可供工程设计参考采用。 参考文献 1 Lau SCW, Hancock GJ. Distortional buckling formulas for channel columns. Journal of Structural Engineering ASCE, 1987,113(10) 2 Hancock GJ. Design for distortional buckling of flexural members. Thin-Walled Structures, 1997,27(1). 3 Davies JM, Jiang C. Design of thin-walled beams for distortional buckling. St. Louis. Proceedings of the 13th International speciality Conference on Cold-Formed Steel Structures, Missouri, 1996. 4 Davies, J.M.; Jiang, C.Design for Distortional Buckling. Journal of Constructional Steel Research,1998,46(1-3) 5 Teng J.G., Yao J., Zhao,Y. Distortional buckling of channel beam-columns. Thin-Walled Structures,2003,41(7) 6 Young Ben, Yan Jintang . Channel Columns Undergoing Local, Distortional, and Overall Buckling. Journal of Structural Engineering ASCE,2002,128(6) 7 Young Ben, Rasmussen K J R. Behaviour of cold-formed singly symmetric columns. Thin-walled Structures, 1999,33 8 Demao Yang and Gregory J. Hancock. Compression Tests of High Strength Steel Channel Columns with Interaction between Local and Distortional Buckling. Journal of Structural Engineering ASCE,2004,130(12) 9 陈绍蕃. 卷边槽钢的局部相关屈曲和畸变屈曲. 建筑结构学报,2002,23(1). 10 张兆宇. 冷弯薄壁C形槽钢畸变屈曲的试验研究. 浙江大学硕士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ,2005。