分析与验证Q460高强钢轴心受压构件稳定性能

分析与验证Q460高强钢轴心受压构件稳定性能

陈丰收

华南理工大学土木与交通学院广东广州510640

摘要：随着钢材生产工艺的进步，现代建筑越来越多采用高强度钢材。高强度钢材和普通强度钢材相比，在生产加工，残余应力，初始几何缺陷等方面存在差别，故稳定性能也存在差异。如今的结构设计规范主要针对于普通强度钢结构的理论和试验研究。在高强度钢材钢结构的力学性能还没有具体的设计理论规范。本文采用ABAQUS数值模拟和理论分析相结合的方法，结合其他文献试验结果对比，研究Q460高强钢焊接H形轴心受压构件的稳定性能。

关键词：高强度钢材；轴心受压；H型截面；钢材稳定性能；有限元建模分析

1引言

高强度结构钢材是指强度等级≥460MPa，具备强度高，延性好，加工性能良好的钢材[1]。

国内外对高强钢焊接H形柱轴心受压的力学性能进行研究。1998年，Sivakumaran与Yuan[2]利用有限元分析与试验研究了高强钢构件的局部失稳。实验钢材采用4种牌号的H型柱，屈服强度从300到700MPa，结果表明Q700钢不适合现行的设计规范。2011年，Wang[3]等选择了6根用Q460高强钢制作的焊接H形柱，试验研究其轴心受压极限承载力。分析试验结果表明，焊接H形柱绕弱轴的稳定系数规律大致符合我国《钢结构设计规范》（GB50017-2013）里的柱子曲线（b类截面）。

钢压杆既有几何缺陷又有力学缺陷。几何缺陷主要是因为钢杆件并非直杆，会造成一点初弯曲。另外，由于组合截面导致荷载作用线和杆件轴线不重合，形成初始偏心。力学缺陷主要有残余应力和初弯曲两种缺陷。

2本文研究内容

利用有限元软件ABAQUS对文献[4]的Q460高强钢焊接H形柱（该文献中试件编号为H-5-55-1，尺寸大小为H245x227.75x11.54x21.33，L=3000mm，试验所得到的Pcr=4357.5KN）的轴压试验进行数值模拟，并将数值结果与试验结果进行比较验证。先对结构模型进行屈曲分析，得到试件的特征值和其屈曲模态；接着，对结构试件模型加入初始缺陷和残余应力，再进行构件的非线性屈曲分析。最后，通过对比构件的ABAQUS分析结构和文献的构件试验结果，验证建立的有限元模型的准确性。

3建立Q460高强钢轴心受压有限元模型

3.1建立几何模型

本文采用截面尺寸为H245x227.75x11.54x21.33的焊接H形截面轴心受压构件。

3.2材料本构关系

采用Mises屈服准则和多线性等向强化准则来模拟钢材的本构关系。

3.3节点连接单元类型选取

本文研究轴心受压构件，选用壳单元，采用S4R单元。另外还要考虑截面残余应力，材料几何缺陷等因素。

3.4网格划分

网格划分选用映射划分，单元形状选择四边形单元。

3.5初始几何缺陷和残余应力的施加

对模型进行特征值屈曲分析，得到模型最低阶局部屈曲模态，接着利用UPGEOM命令执行操作，增加局部缺陷；整体缺陷同样方法，然后再次计算有限元模型，即完成初始几何缺陷的添加。对于残余应力可看成初应力，将其施加到构件相应的积分点处。

4有限元模型求解及验证

4.1求解方法

本文使用静态分析，并且综合考虑结构的几何非线性和材料的非线性。ABAQUS中采用弧长法分析非线性。

4.2处理结果查看

构件的轴心受压情况是否符合构件实际情况，可以通过构件的位移云图和应力云图来判别；其次得到构件的极限承载力和构件的收敛情况可通过荷载位移曲线，荷载位移曲线若有下降段则可以判定构件是有收敛的。

图1构件一阶模态图

图2构件二阶模态图

图3失稳图

图4力和位移图

4.3有限元模型验证

由图4可知，有限元模拟Q460焊接H形柱构件轴心受压试验，得到的极限值为4770KN，文献[4]做实验得到的值为4358KN，有限元模拟值和文献[4]实验值之比为1.094，可见偏差很小，说明该模型具备有效性，可见该模型可以模拟轴心受压下高强度钢H形截面柱。

对有限元模拟和实际试验存在偏差的原因进行分析：首先，有限元建模时，统一取泊松比为0.3，与实际情况有偏差。其次，有限元模拟时可以对构件的端部做到完全铰接，但实验时确不能完全做到。最后，有限元增加的残余应力不可能完全符合实验时构件产生的。故有限元模拟值和试验时存在偏差是合理的，也即该有限元模型模拟构件是有效的。

参考文献

[1]施刚,班慧勇,石永久,等.高强度钢材钢结构研究进展综述[J].工程力学,2013,30(1):1-13.

[2]SivakumaranKS,YuanB.Slendernesslimitsandductilityofhighstrengthsteelsections[J].JournalofConstructionalSteelResearch,1998,46(46):149-151.

[3]WangYB,LiGQ,ChenSW,etal.ExperimentalandnumericalstudyonthebehaviorofaxiallycompressedhighstrengthsteelcolumnswithH-section[J].EngineeringStructures,2012,43(7):149-159.

[4]王彦博,李国强,陈素文,等.Q460钢焊接H形柱轴心受压极限承载力试验研究[J].土木工程学报,2012(6):58-64.