卷边对C型冷弯薄壁型钢轴心受压构件畸变屈曲性能影响的有限元分析

卷边对C型冷弯薄壁型钢轴心受压构件畸变屈曲性能影响的有限元分析

姜佩弦李玥吴军唐晓荣金楠

关键词：冷弯薄壁型钢；;卷边；畸变屈曲；有限元分析

Abstract：ThecoilinglengthoftypeCthin-walledcold-formedsteelisusuallylessthanhalfthatoftheflange,andissmallerthanthatoftheweb.WhatisthedifferencebetweenthedistortionbucklingoftypeCcold-formedthin-walledsteelwithorwithoutcoilededgesunderaxialpressure,thesignificanceofsettingcoilededgesanditsfunction?ABAQUSfiniteelementanalysismethodisadoptedinthispaper,contrastaCtypeoftheedgeandnoedgeanalysisofcold-formedthin-walledsteelaxialcompression,theedgeofCtypedistortionalbucklingperformanceofcold-formedthin-walledsteelcompressionmemberinfluenceforqualitativeanalysis.

Keywords：thin-walledcold-formedsteel;;Edge;Distortedbuckling;Finiteelementanalysis

1.前言

冷弯薄壁型钢单轴对称截面的轴压构件，根据构件端部约束条件、截面形式、构件尺寸和构件长度的不同，除了发生常见的屈曲模式如局部屈曲、整体屈曲外，还容易发生畸变屈曲。随着钢材强度不断增加，型钢截面形式不断多样化，畸变屈曲出现的越来越频繁。

2.畸变屈曲概念

畸变屈曲是指屈曲发生时横截面发生一系列扭曲，即组成横截面的相邻板单元的纵向棱线间发生相对位移。对于薄壁型钢结构的受力分析表明，其屈曲可分为三类：整体屈曲、部分屈曲以及畸变屈曲。一般而言，畸变屈曲杆件受压发生畸变屈曲时，杆件将发生变形，其变形特征为：卷边翼缘绕绕翼缘和腹板的交线转动。畸变屈曲发生时，可以从试验以及数值分析的方法中计算得到其临界屈曲应力。

3.有限元分析过程

本论文采用ABAQUS有限元分析软件，建立了两个有限元模型，有卷边的模型为140*50*13*1.0mm的Q345冷弯薄壁型钢，如图1所示。无卷边的模型为140*50*1.0mm的Q345冷弯薄壁型钢，如图2所示。两个模型的深度均为1m。

其中，图3为有卷边的冷弯薄壁型钢的受轴心压力情况下三轴总体的变形情况演示，图4为无卷边的冷弯薄壁型钢受同等轴心压力情况下三轴总体的变形情况演示。

从图3和图4的对比中可以看出，无卷边的冷弯薄壁型钢的总体变形是要远远大于有卷边的变形的。二者的变形特征均为翼缘产生波浪形的变形，其腹板处的变形为沿着腹板法线方向的凸起，腹板的两面均有此种凸起变形，每一面的变形中心点间距均相近。图5为有卷边的冷弯薄壁型钢非翼缘侧的腹板变形情况演示。图6为无卷边的冷弯薄壁型钢非翼缘侧的腹板变形情况演示综合图3、图4、图5以及图6可知：两个模型的整体变形是以腹板的中线为轴线呈现轴对称特征的。但有卷边的冷弯薄壁型钢翼缘的变形是很小的（≤0.1667，下同），几乎难以看出较大的变形，而无卷边的已经呈现为十分明显的大波浪变形，变形量也十分大。

有卷边的冷弯薄壁型钢的最大变形处出现于两个铰接约束端的腹板中线处，无卷边的冷弯薄壁型钢的最大变形处位于两个铰接约束端的翼缘边缘以及此处的腹板中线处。在构件完全弹塑性的情况下，此片区域的形变量可达1m。

但考虑到实际情况，钢结构材料的属性，其形变量无法达到软件模拟的状况，从模型的受力状况的最大形变量可知该构件在受到轴心压力的情况下，此形变量最大的部位最先达到畸变屈曲临界应力，最先产生屈服以及破坏。此为软件模拟与实际意义的联系，后面所分析的最大形变量的实际意义也与以上论证相同。

其中，图7为有卷边的冷弯薄壁型钢的受轴心压力情况下X轴方向的变形情况演示，图8为无卷边的冷弯薄壁型钢受同等轴心压力情况下X轴方向的变形情况演示。

从图中可对比出，二者的受力特征非常相似，只有轻微的数值差异。腹板的变形多为X轴方向上的，翼缘以及卷边则变形程度为中等。有卷边的冷弯薄壁型钢腹板处有部分区域在X轴方向上的形变量很小，而无卷边的比有卷边的冷弯薄壁型钢数值上要稍稍增大。二者翼缘部分在X轴上的变形相差无几。

3.3Y轴方向变形分析

图11图12

其中，图11为有卷边的冷弯薄壁型钢的受轴心压力情况下Z轴方向的变形情况演示，图12为无卷边的冷弯薄壁型钢受同等轴心压力情况下Z轴方向的变形情况演示。

此两图的对比与以上各图的对比结果稍有不同。有卷边的薄壁型钢整体在Y轴方向上的变形比无卷边的要大。无卷边的冷弯薄壁型钢出现Z轴方向上变形量很小的区域，而有卷边的无此种区域。

4.总结

在轴心受压的受力状况下，卷边的存在，将会使C型冷弯薄壁型钢在临界畸变屈曲应力上有很大幅度地增加，带有卷边的翼缘的形变量也远远小于无卷边的翼缘。卷边使C型冷弯薄壁型钢位于X轴以及Y轴方向上的畸变屈曲变小，但增大了Z轴方向上的畸变屈曲。卷边的设立，极大地增强了型钢的畸变屈曲承载力。此为卷边对于C型冷弯薄壁型钢受轴心压力的畸变屈曲的影响。

参考文献

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