谷睿鵬 李清揚(yáng)

（河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲 056107）

0 引言

單向壓彎構(gòu)件通常繞截面強(qiáng)軸彎曲，若不設(shè)置側(cè)向支點(diǎn)，構(gòu)件往往在達(dá)到平面內(nèi)失穩(wěn)的極限荷載之前，發(fā)生側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)而喪失承載力，即彎矩作用平面外整體失穩(wěn)。研究表明，與平腹板工形構(gòu)件相比，波紋腹板工形構(gòu)件的面外剛度與扭轉(zhuǎn)剛度大大提高，能有效地提高彎矩作用平面外穩(wěn)定承載力[1]；多鋼種混用工形構(gòu)件翼緣的強(qiáng)度高于腹板，可充分發(fā)揮翼緣抵抗彎矩和軸心力，承受軸向應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)。由于波紋腹板構(gòu)件軸向應(yīng)力完全由翼緣承擔(dān)，故翼緣高強(qiáng)化的多鋼種混用波紋腹板構(gòu)件，可大大提高翼緣抵抗軸向應(yīng)力的能力。腹板波折化，翼緣高強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”。

鑒于國(guó)內(nèi)外對(duì)波紋腹板及多鋼種混用在壓彎構(gòu)件中的應(yīng)用研究較少，本文結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)，翼緣采用較高強(qiáng)度鋼材，腹板采用Q235 鋼材并使其波折化，提出多鋼種混用波紋腹板壓彎構(gòu)件，研究承載力及用鋼量的優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)研究提供參考。

1 幾何模型

利用ABAQUS 有限元軟件分別對(duì)單鋼種平腹板、單鋼種波紋腹板和多鋼種混用波紋腹板壓彎構(gòu)件建模，編號(hào)為A、B、C，波紋腹板構(gòu)件如圖1 所示。設(shè)置三組模型部分參數(shù)相同：翼緣寬度bf=150mm，翼緣厚度tf=10mm，腹板高度hw=320mm；為防止模型A喪失整體穩(wěn)定前發(fā)生局部失穩(wěn)，同時(shí)為方便比較，故在三組模型的兩端及跨中均設(shè)置加勁肋，加勁肋寬度同翼緣，高度同腹板，構(gòu)件長(zhǎng)度L=4m，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》GB50205-2020 相關(guān)規(guī)定[2]，對(duì)于鋼柱的外形尺寸允許偏差，柱身彎曲矢高初始缺陷不得大于構(gòu)件長(zhǎng)度的1/1200，且不得大于12mm。本文選擇L/1200 初彎曲作為構(gòu)件的初始缺陷。波紋腹板波形采用《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 291-2011）中推薦波形1[3]，如圖2所示。

圖1 波紋腹板構(gòu)件示意圖

圖2 《波紋腹板鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》推薦波形1

2 材料特性、網(wǎng)格劃分及荷載邊界條件

本文模型均為兩端簡(jiǎn)支的壓彎構(gòu)件，采用雙折線強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系，進(jìn)行非線性屈曲分析。彈性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3，鋼材切線模量取0.01E。模型各構(gòu)件均選用S4R 單元，網(wǎng)格劃分時(shí)綜合考慮精度及運(yùn)算時(shí)間要求，選取網(wǎng)格種子尺寸為20mm。

為避免對(duì)單一節(jié)點(diǎn)加載而造成應(yīng)力集中，在構(gòu)件兩端截面的中心點(diǎn)處分別建立參考點(diǎn)作為邊界約束控制點(diǎn)，然后將構(gòu)件兩端截面的6個(gè)自由度全部耦合到控制點(diǎn)上，兩控制點(diǎn)M、N 的邊界條件分別設(shè)置為U2=U3=UR1 及U1=U2=U3=UR1；對(duì)邊界條件控制點(diǎn)M 處沿X 方向以及構(gòu)件上翼緣跨中處沿Y 方向分別施加軸向荷載與橫向荷載，二者比值始終保持為1：1，并沿構(gòu)件上翼緣跨度方向150mm，寬度方向200mm 所組成的長(zhǎng)方形區(qū)域進(jìn)行結(jié)點(diǎn)耦合，耦合后形成的剛性面可以讓集中的應(yīng)力分配到各從節(jié)點(diǎn)上，從而有效避免應(yīng)力集中引起的構(gòu)件局部破壞。

3 多鋼種混用波紋腹板壓彎構(gòu)件在整穩(wěn)承載力及用鋼量上的優(yōu)勢(shì)

對(duì)單鋼種平腹板和單鋼種及多鋼種波紋腹板壓彎構(gòu)件進(jìn)行分析；為滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]中關(guān)于腹板高厚比（小于80εk）的要求，設(shè)置單鋼種平腹板構(gòu)件的腹板厚度為4mm；由于波紋腹板能遠(yuǎn)超平腹板高厚比限值而不發(fā)生局部失穩(wěn)（高厚比可達(dá)600），故將單鋼種及多鋼種波紋腹板構(gòu)件腹板厚度均設(shè)置為2mm，以下為三種模型的比較，如表1所示。

表1 三種構(gòu)件的承載力及用鋼量比較

由表1 可知，單鋼種波紋腹板與單鋼種平腹板壓彎構(gòu)件在承載力幾乎相同的情況下，能減少11.06%的用鋼量，說(shuō)明將腹板波折化后，在保證承載能力不變的情況下可以節(jié)約一定量的鋼材；由于不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材密度變化不大，故認(rèn)為單鋼種與多鋼種波紋腹板構(gòu)件用鋼量保持一致。盡管高強(qiáng)度鋼材在造價(jià)方面更高，但將翼緣鋼材由Q235 提升至Q355 后承載能力提升了27.12%，效果十分顯著，說(shuō)明將翼緣高強(qiáng)化能極大地提升波紋腹板壓彎構(gòu)件的承載能力。

4 結(jié)論

綜合考慮受力性能良好的波紋腹板構(gòu)件和多鋼種混用構(gòu)件，提出一種新型的多鋼種混用波紋腹板壓彎構(gòu)件，得出以下結(jié)論：

(1)將普通單鋼種平腹板壓彎構(gòu)件的腹板改用波折化的壓型鋼板，可降低一定的用鋼量。

(2)將單鋼種波紋腹板壓彎構(gòu)件的翼緣改用高強(qiáng)度鋼材，可有效地提升其承載力。

(3)多鋼種混用波紋腹板壓彎構(gòu)件相較于單鋼種的平腹板及波紋腹板壓彎構(gòu)件，在承載能力及用鋼量方面均有更好的表現(xiàn)。