不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)l形柱的設(shè)計

不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)l形柱的設(shè)計

隨著人們生活水平的提高，人們對生活空間的要求也越來越高。這不僅要求大面積的使用，而且要求建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部利用率。普通框架結(jié)構(gòu)因具有露梁露柱等缺點(diǎn)，給室內(nèi)裝飾和家具布置帶來極大不便，已不能滿足人們對住宅平面和空間的要求。采用異形截面框架柱可以有效地解決這些問題，因此受到廣泛歡迎不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形柱是一種新型的異形柱結(jié)構(gòu)形式，是用不銹鋼夾層結(jié)構(gòu)作為材料焊接而成的一種預(yù)制不銹鋼構(gòu)件。不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形柱由于能夠在工廠預(yù)制，拓寬了異形柱的使用空間，使該課題的研究顯得有意義。1新型不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用我國的不銹鋼產(chǎn)量近年來迅速提高，不銹鋼材料的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，在建筑行業(yè)中由傳統(tǒng)的裝飾構(gòu)件逐漸擴(kuò)大到結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件。一方面由于不銹鋼構(gòu)件外形光滑易加工，再加上其所具有的諸如耐腐蝕性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)以及在很寬溫度范圍內(nèi)都能夠保持高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)，使其在建筑業(yè)中擁有廣闊的適用性。另一方面，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展使得目前社會不僅僅對建筑物的安全性能和使用性能有較高要求，對環(huán)保性和美觀性也提出了更高的需求。綜合以上因素，不銹鋼材料有著很廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)材料與傳統(tǒng)的建筑材料相比具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如高強(qiáng)、輕質(zhì)、隔熱、隔聲性能較好，所以被廣泛應(yīng)用于社會生活的各個方面為了充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，將其有機(jī)結(jié)合在一起，提出了不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形柱，如圖1所示。本研究依助有限元軟件ABAQUS，采用有限元非線性屈曲分析的方法，對不同面板厚度、芯管厚度以及芯管間距的不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形異形柱進(jìn)行軸壓屈曲性能的數(shù)值分析研究，以期得到不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形異形柱在軸向壓縮荷載作用下的穩(wěn)定性能。同時通過對單一參數(shù)變化條件下這種新型L形柱的屈曲模式、變形過程、荷載-位移曲線等方面的分析，為后續(xù)全面研究力學(xué)性能和工程實踐提供參考。2元模型和計算方法的確定2.1材料本構(gòu)關(guān)系的模型式不銹鋼材料實際上是一種高合金鋼材，不同于普通碳素鋼的雙線性模型，不銹鋼材料使用的本構(gòu)關(guān)系模型式中:f對于不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)常采用S30408型號的不銹鋼面板，其本構(gòu)關(guān)系如圖2所示。在有限元數(shù)值模擬中需要采用材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(σ式中:ε2.2建立約束機(jī)制采用大型有限元通用程序ABAQUS進(jìn)行力學(xué)性能的研究，單元選用殼單元。模型的坐標(biāo)系、邊界條件以及加載方式如圖3所示。模型的約束條件:構(gòu)件一端約束X、Z方向的平動，釋放Y向平動和三個方向的轉(zhuǎn)動;對稱端為固定端，加載方式采用位移加載。為了更加真實地模擬實際加載方式，建模前首先計算好異形柱的形心，建模時在柱頂和柱底形心點(diǎn)處分別設(shè)置一個參考點(diǎn)，并將它們分別與柱頂和柱底的一排單元綁定。建立邊界條件時直接施加在參考點(diǎn)上即可。有限元模擬試件的基本參數(shù)如表1所示。2.3特征值屈曲分析由于不銹鋼強(qiáng)度較高，而L形柱高度高、面板和芯管厚度薄，比較容易發(fā)生整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)，為了更好了解L形柱的工作性能，采用ABAQUS對模型進(jìn)行屈曲分析。屈曲分析首先在特征值屈曲分析的基礎(chǔ)上，得到初始彎曲、扭轉(zhuǎn)和臨界力，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行非線性屈曲分析。進(jìn)行特征值屈曲分析的目的有:1)獲取試件的屈曲模態(tài)，為后續(xù)非線性屈曲分析時結(jié)構(gòu)初始缺陷的施加提供一種方法;2)通常線性屈曲的特征值往往高于非線性屈曲的極限荷載，所以線性屈曲分析得到的極限承載力可以作為非線性屈曲分析時外荷載選取的參考。由于初彎曲和初偏心對軸心受壓構(gòu)件的影響都使得試件出現(xiàn)極值點(diǎn)失穩(wěn)現(xiàn)象，使構(gòu)件的承載力有所降低，兩種影響在本質(zhì)上并無差別，因此在研究實際構(gòu)件時，通常把它們的影響一并考慮。計算中，初始缺陷通過特征值屈曲分析的屈曲模態(tài)的擴(kuò)展實現(xiàn)，調(diào)整至殼厚的20%。采用ABAQUS的自動荷載增量和弧長迭代法技術(shù)進(jìn)行幾何非線性和材料非線性分析，求得軸向極限荷載。3屈曲分析3.1屈曲分析結(jié)果取單塊不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)試驗構(gòu)件進(jìn)行非線性屈曲分析，截面參數(shù)為h=480mm,b=380mm,d=150mm，面板厚度分別為t分析結(jié)果顯示:短柱以彎曲屈曲為主，并有局部屈曲發(fā)生。3種構(gòu)件其屈曲計算結(jié)果均高于試驗值。這是因為在實際結(jié)構(gòu)中，由于殘余應(yīng)力和本構(gòu)關(guān)系差異的影響，試驗結(jié)果低于非線性屈曲分析的結(jié)果符合規(guī)律，所以此非線性分析的結(jié)果是可取的。3.2資源值的曲線分析研究不同面板厚度對L形柱屈曲承載力的影響，對表1的試件編號1～4的構(gòu)件進(jìn)行ABAQUS有限元特征值屈曲分析，分析結(jié)果如表3所示。3.3非線性屈曲分析采用以上分析方法，取試件編號1～4的構(gòu)件，進(jìn)行ABAQUS有限元非線性屈曲分析，可以得出每個構(gòu)件的荷載-位移全過程曲線如圖4所示。4結(jié)論分析4.1荷載-位移關(guān)系從4個試件的軸壓荷載-縱向位移曲線可知:在加載的初期，試件處于彈性工作階段，隨著荷載的增大，位移與之保持線性關(guān)系;此階段由于施加的荷載較小，相應(yīng)的變形很小，從外觀上看無明顯特征，模型大部分區(qū)域的應(yīng)力值也很低。隨著荷載不斷增加，材料屈服進(jìn)入塑性階段，此時結(jié)構(gòu)的荷載增量明顯比位移增量小很多，兩者呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。當(dāng)4個試件達(dá)到極限荷載后，荷載-位移曲線表現(xiàn)為位移繼續(xù)增加而承載力卻不斷減小，最終趨于一個恒值，在荷載-位移曲線上表現(xiàn)為曲線逐漸趨于水平。通常情況下，在試驗中當(dāng)承載力下降到極限承載力的70%～80%時，試件已經(jīng)發(fā)生破壞。然而有限元軟件在進(jìn)行數(shù)值模擬時，其受力和變形會嚴(yán)格遵循定義的材料本構(gòu)關(guān)系，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限承載力后，應(yīng)力不再增加，應(yīng)變還在繼續(xù)變大，表現(xiàn)為承載力最后趨于一個恒值。4.2破壞的極限強(qiáng)度圖5分別給出了試件1～4的最終破壞形態(tài)以及vonMises應(yīng)力云圖，從截取的應(yīng)力云圖中可以看出:當(dāng)試件達(dá)到極限承載力時，試件的vonMises應(yīng)力達(dá)到了380MPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到不銹鋼的極限強(qiáng)度，試件表現(xiàn)為局部屈曲破壞，從而使得整個構(gòu)件喪失承載能力。4.3非線性屈曲分析根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的相關(guān)理論式中:λ由式(3)可以得到換算長細(xì)比:穩(wěn)定系數(shù)φ計算式為:式中:P在充分考慮材料非線性和幾何非線性的情況下，根據(jù)式(3)～(5)，非線性屈曲的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。由表4和圖6可以看出:1)隨著面板厚度的增加，L形柱的極限荷載逐漸增加;2)隨著面板厚度的增加，其穩(wěn)定系數(shù)并沒有明顯的變化，其原因可能是隨著面板厚度的增大，芯管對面板的約束逐漸減弱，對L形柱穩(wěn)定極限承載力的貢獻(xiàn)越來越小，從而使得構(gòu)件整體的穩(wěn)定系數(shù)沒有明顯提高。5研究中，芯管參數(shù)的變化對穩(wěn)定系數(shù)的影響5.1芯管間距對穩(wěn)定性的影響以4mm板厚的構(gòu)件(試件5～8)為研究對象，當(dāng)芯管厚度和板厚不變的情況下，分析芯管間距對L形柱穩(wěn)定極限承載力的影響，分析結(jié)果如表4和圖7所示。由表4和圖7可以看出:試件的極限承載力在一定范圍內(nèi)隨著芯管間距的減小而增大，其穩(wěn)定系數(shù)也是隨著芯管間距的減小而增大。5.2芯管厚度對l形柱穩(wěn)定性的影響以4mm厚構(gòu)件(試件9～14)為研究對象，分析當(dāng)面板厚度一定的情況下，芯管厚度對L形柱穩(wěn)定承載力的影響，相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。由圖8～9可見:當(dāng)面板厚度一定時，隨著芯管厚度變大，芯管對面板的約束逐漸增強(qiáng)，L形柱的穩(wěn)定極限荷載逐漸變大，同時其換算長細(xì)比逐漸減小，穩(wěn)定系數(shù)逐漸變大。6結(jié)構(gòu)l形柱試件在考慮了材料非線性、幾何非線性和初始幾何缺陷的基礎(chǔ)上，利用ABAQUS有限元軟件對實際無對稱軸截面不銹鋼夾層結(jié)構(gòu)L形柱軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論:1)不銹鋼芯板結(jié)構(gòu)L形柱破壞形態(tài)主要是局部屈曲破壞。短柱試件的工作階段可分為彈性、彈塑性和破壞三個階段，并表現(xiàn)出一定的彈塑性性能。2)試件的穩(wěn)定極限承載力隨著芯管間距減小而增大，達(dá)極限荷載后，穩(wěn)定極限承載力隨縱向位移的增加而降