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 羅洪光

 （湖南工程學院建筑工程學院，湖南湘潭411104）

摘要：波紋腹板H型鋼梁與普通H型鋼梁相比具有更好的受力性能，工程應用日益廣泛。針對12根超出中國規(guī)程計算范疇的受局部面荷載作用的波紋腹板型鋼試件，運用ANSYS有限元軟件進行非線性分析，得到試件承載力的數(shù)值計算結(jié)果，并與試驗值進行比較分析，結(jié)果表明：計算值與試驗值二者吻合較好。

關(guān)鍵詞：波紋腹板；局部面荷載；非線性有限元DOI:10. 13206/j.gjg201604004

0  引  言

 波紋腹板H型鋼由于具有合理的受力性能和優(yōu)越的經(jīng)濟性，得到廣泛的應用。以12

根受局部面荷載作用的波紋腹板H型鋼梁試驗為背景，對有限元分析的幾何缺陷取值提出建議。2根試件幾何尺寸不滿足CECS 291:2011《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于波紋腹

板受彎構(gòu)件的構(gòu)造要求，如何考慮此類構(gòu)件的計算值得研究。列出試件具體的有限元計算值，本文運用ANSYS有限元軟件中的12根試件進行非線性分析，所得數(shù)值結(jié)果與試驗值以及采用CECS 291: 2011相關(guān)公式得到的計算值進行對比分析，為解決此類構(gòu)件的計算問題提供有益的啟示。

1  有限元計算

1.1  幾何建模

 本文以序號為4的構(gòu)件為例，首先對上、下翼緣進行幾何建模，然后從構(gòu)件一端開始建立一個波長A的波紋腹板，再對已建單波長的波紋腹板進行復制。如果梁跨長度不是單個波長為A的整數(shù)倍，對剩余非A整數(shù)倍的梁跨長度采用與首個單波長的波紋腹板相同方式建模。運用參數(shù)化設(shè)計語言( APDL)，可選定一個足夠小的數(shù)值作為結(jié)束腹板建模的計算容差，一旦尚未進行腹板建模的剩余梁跨長度小于容差，即可結(jié)束腹板幾何建模過程。為與試件一致，本文在梁的兩端支座處添加了相應的支承加勁肋。最后進行搭接和粘合操作，完成幾何建模過程。所建幾何模型如圖1所示。

1.2  單元與材料參數(shù)選取

 本文所選單元為Shell 181。根據(jù)提供的材料強度值（翼緣和腹板屈服強度分別為379，

373 M Pa;翼緣和腹板的極限強度分別為517，542 M Pa)，本文采用多線性等向強化方式建立四段線性的材料本構(gòu)關(guān)系曲線，如圖2所示。

1.3邊界約束與加載模擬

 作為簡支梁，在一端支座處約束x、y、z向的位移，另一端支座僅對x、y向的位移進行約束。在試驗中，壓力機作用頭通過50 mm厚的鋼墊板對跨中上翼緣部位施加壓力，本文則對與鋼墊板接觸的上翼緣施加均布面荷載。鋼墊板具有一定的剛度，與鋼墊板接觸的上翼緣y向位移會因此受到影響，為考慮該影響，本文對與鋼墊板接觸的上翼緣中心2/3范圍內(nèi)的節(jié)點y向自由度進行耦合。采用自由方式劃分單元網(wǎng)格，翼緣與加勁肋網(wǎng)格尺寸取40 mm，腹板則取20 mm。有限元模型如圖3所示。

1.4  有限元求解

 算例7.2.2有關(guān)失穩(wěn)分析過程，考慮材料非線性，對型鋼梁進行特征值分析，并提取

第1階失穩(wěn)模式，為后續(xù)幾何非線性分析做準備，第1階失穩(wěn)模式如圖4所示。

 在第1階失穩(wěn)模式基礎(chǔ)上，考慮缺陷乘子2.5，采用弧長法進行靜力非線性分析。所施加的面荷載在第1階失穩(wěn)對應荷載值基礎(chǔ)上取1.2倍增大系數(shù)。所選弧長法終止準則為：達到第一個峰值時終止計算。計算峰值對應的承載力極限狀態(tài)下x向位移云圖如圖5所示。

2計算對比與分析

 調(diào)出計算峰值對應的加載步，選擇兩端支座位置節(jié)點，計算所選擇節(jié)點處的合力即為構(gòu)件極限承載力。

 12根試件腹板高度hw、腹板厚度t w、翼緣寬度b r、腹板波形尺寸均相同，其中h w=

500 mm、t w=6 mm、b r=225 mm、波形直板段長度b= 210 mm、波形斜板段在跨度方向的投影長度d=165 mm、波高h r=139 mm（中心尺寸）。

 上述試件的波形超出CECS 291: 2011的尺寸限定范圍，為對比起見，僅考慮局部承壓強度，采用CECS 291: 2011腹板計算高度上邊緣的局部承壓極限承載力計算公式的計算值作為腹板局部破壞承載力FCECS，綜合ANSYS有限元分析值FANSYS、試驗值F e x p，計算對比如表1所示。表中，t f為翼緣厚度，L為梁兩端支座間的距離，鋼墊板尺寸欄為單個數(shù)值的表明整個翼緣寬度受荷載作用。1、2、6、8、9、10項構(gòu)件面荷載作用位置對應斜板段腹板，其中9、10項構(gòu)件分別受中心荷載和偏心荷載作用，3、4、5、7、1 1項構(gòu)件面荷載作用位置對應直板段腹板，12項構(gòu)件面荷載作用位置對應斜和直板段腹板交點處。

 根據(jù)試驗結(jié)果，所有試件的破壞模式均為腹板局部破壞，則進一步指出這種破壞類型

是腹板局部失穩(wěn)。計算結(jié)果表明，x向最大位移點位于與局部面荷載作用位置相鄰的腹板上，該點離上翼緣與腹板交接處距離較近，約為腹板高度的1/6，這與文獻[2]的試驗圖片所示情形相吻合。本文所有試件在承載力極限狀態(tài)下x向位移云圖與圖5類似。

 從表1可見，所有試件有限元分析值與試驗值偏差在10%以內(nèi)，相對偏差平均值為-1.4%，這表明有限元分析值與試驗值吻合較好，本文運用數(shù)值分析方式較真實地模擬了試件試驗情況。

 值得指出的是，上翼緣y向自由度耦合對有限元計算結(jié)果影響不能忽視。以序號7的構(gòu)件為例，若耦合節(jié)點從上翼緣受壓部位面積的2/3擴大到3/4，計算值變?yōu)?98 k N，與試驗值偏差為-7.4%；對于序號1的構(gòu)件，若耦合節(jié)點從上翼緣受壓部位面積的2/3減小到1/2，計算值變?yōu)?55 k N，與試驗值偏差為0. 11%。從表1可見，本文統(tǒng)一對2/3上翼緣受壓面積范圍內(nèi)的節(jié)點進行耦合比較符合各試件的試驗狀況。

 從表1可見，與試驗值相比，僅考慮局部承壓強度的FCECS計算值比較保守。當然，第9項和第10項構(gòu)件局部受壓寬度并非翼緣寬度，與CECS 291:2011計算簡圖所示整個翼緣寬度范圍均受壓不同。此外，F(xiàn)CECS計算值不能反映荷載在梁跨方向作用尺寸不同對構(gòu)件承載力的影響。上述試件受到局部面荷載和彎矩的共同作用，若再考慮彎矩的作用，計算值可能更加趨于保守。對于超出CECS 291:201 1計算范圍的類似構(gòu)件，在缺乏可靠驗證情況下，若盲目套用規(guī)程相關(guān)計算式可能導致較大偏差，可參照本文對構(gòu)件進行有限元分析。

 與普通H型鋼梁相比，波紋腹板H型鋼梁腹板局部穩(wěn)定性能提高了。在計算中，剪力由腹板承擔，腹板可能發(fā)生3種類型的受剪屈曲破壞模式：腹板局部剪切屈曲、腹板整體剪切屈曲以及介于上述兩種模式之間的相關(guān)屈曲。本文非線性有限元分析可以確定波紋腹板型鋼梁屈曲承載力，為進一步研究該類構(gòu)件提供支持。

 CECS 291: 2011計算波紋腹板受彎構(gòu)件的抗剪承載力時，需先比較波紋腹板剪切屈曲與剪切強度的大小，再據(jù)此判斷是否考慮屈曲的承載力折減系數(shù)。本文有限元分析可作為波紋腹板受彎構(gòu)件腹板剪切屈曲計算的參考，有利于抗剪承載力計算。

3  結(jié)束語

 本文基于ANSYS有限元程序，對12根受局部面荷載作用的波紋腹板型鋼試件進行了材料與幾何非線性分析，有限元計算值與試驗值吻合較好。鑒于我國現(xiàn)行CECS 291: 2011規(guī)程對于構(gòu)件尺寸的限制，本文可為波紋腹板型鋼梁的深入研究以及有關(guān)工程設(shè)計人員提供參考。