Q550GJC焊接H形钢柱截面宽厚比限值分析

摘要：为研究屈服强度为550MPa及以上的钢构件的局部屈曲，考虑到构件局部屈曲与其截面的板件宽厚比有密切联系，借助ANSYS有限元分析软件，对Q550GJC高强度焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值进行分析。通过考虑构件的材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷和焊接残余应力等影响，对钢柱进行压弯滞回计算，得到构件的骨架曲线，并从中计算出构件的延性系数。结果表明：得到的Q550GJC焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值符合GB50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定。近些年来，随着钢材生产工艺的发展与创新，高强度钢材(名义屈服强度大于460MPa)的质量已经有所保证，与此同时，与高强度钢材相配展。这些材料方面的发展与进步使得高强度钢材已经在国内外多个工程实际中得以应用[1-4]。在多、高层钢结构中，钢柱同时承受轴心压力和弯矩作用，理想模型为压弯构件。钢结构中的受力构件，通常是由宽而薄的板件组成，因此可以将钢构件的受压、受弯作用归结为板件的受力问题。为了保证钢结构在罕遇地震作用下不倒塌，要求其构成板件在经历较大塑性变形后仍具有一定的强度和变形能力，这就要求结构构件局部屈曲不早于整体屈曲出现。为了满足这一设计目的，国内外现行的钢结构设计规范普遍对板件宽厚比限值做出规定，但试验分析与理论研究结果均是在普通强度钢材的基础上得到。基于高强度钢材和普通强度钢材在力学性能上的差别，对高强钢板件宽厚比限值进行研究十分必要。根据延性地震理论[5]，目前结构影响系数即地震作用调整系数的研究大多采用基于杆件层面的位移延性系数，而杆件的延性是建立在截面的延性基础上的，截面延性是确定截面板件宽厚比的重要因素。根据截面承结构设计规范》(征求意见稿)增加了截面分类的相关条为A、B、C、D、E五级。其中A级为塑性设计截面；B级为塑性屈服强度截面；C级为部分塑性开展的截面；D级为弹性屈服强度截面；E级为超屈曲设计截面。在不考虑超强系数时，这五类截面的延性系数分别为：A级为4；B级为3.33；C级为2.86；D级为2.22；E级为1.82[6]。过数值模拟的方法，对构件施加初始几何缺陷及焊接残余应力，并用滞回需求反推得到钢柱板件宽厚比限值的有关结论。1焊接残余应力和初始几何缺陷的影响1.1高强度钢材残余应力模型本次研究所用的焊接残余应力分布模型参考了清华大学班慧勇的研为翼缘外伸宽度；e为翼缘中部最大残余拉应力的分布范围，规定取值为腹板两侧焊缝外侧焊趾间距(tw+2hf)。焰切边附近的最大拉应力范围a和过渡范围b均取为从焊趾到翼缘端部间距的1/10，即(bf-hf)/10；其余部位c和d的值可由式(1)和式(2)联立求得。腹板两端最大焊接残余拉应力分布范围u取为焊脚尺寸te，其余分布范围v和w根据式(3)和式(4)确定。图1焊接工字形截面残余应力分布模型对于工字形截面焊缝附近的残余拉应力值σt，我国GB50017—2003[8]规定了普通强度焊接截面构件其值取为钢材的屈服强度fy；但对于高强度钢材焊接截面构件，国外已有试验结果表明[9-10]：σt明显小关。对于屈服强度为345MPa以下的钢材，建议将翼缘中部最大残余拉应力σfrt取为钢材的屈服强度，这与现有规范规定一致；强度等级为高屈服强度的钢材，可统一取为460MPa。对于焊接工字形截面翼缘焰切边缘处最大拉应力σfrte的取值，我国GB50017—2003规定为0.4fy～0.75fy[11-12]，欧洲钢结构规范规定为0.3fy[13]。考虑到翼缘焰切边残余拉应力对工字形截面钢柱弱轴失稳的的钢材，σfrte取为50MPa；对于更高强度等级的钢材，根据欧洲规范采用的分布模型，取为0.3fy[7]，该值非常接近试验结果的平均值。对于焊接工字形截面腹板两端焊缝处最大残余拉应力数值σfrt，通过试验测试，建议取值与翼缘中部残余拉应力σfrt相同，即对于屈服强度为屈服强度的钢材，统一取为460MPa。钢结构焊接截面的残余压应力主要是因为焊接热输入后截面发生不均匀冷却而产生的，与材料强度没有直接关系[14]，故可以用绝对值来表示残余压应力而不必与材料的屈服强度建立关系。班慧勇提出由式(5)来表示焊接工字形截面的残余压应力，为了防止截面尺寸过小使计算得到的残余应力数值不合理，对式(5)限定了计算结果的下限值(取为钢材的名义屈服强度-fy)；同时也偏于安全地给出了上限值(取为钢材名义屈服强度翼缘残余压应力：腹板残余压应力：1.2初始几何缺陷模型钢构件的几何初始缺陷可以概括为构件的整体初弯曲和板件的局部缺陷。目前，在进行钢构件的局部或整体的屈曲分析时，研究人员通常通过提取有限元模型特征值屈曲分析中的第一阶屈曲模态作为构件的几何初始缺陷模态。GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中规定，对于工字形截面翼缘板件的局部缺陷幅值取b/100和3mm二者的小值，腹板板件的局部缺陷幅值取h/200和3mm二者的小值[15]。2算例设计2.1模型说明此次研究采用国产Q550GJC钢材，构件拉伸材料性能采用鄂钢质检中心为本次国家“十二五”科技支撑项目进行的高强度钢板力学性能试验的数据。再结合我国目前正在编制的《高强钢结构设计规程》中对高强度钢材物理性能指标的要求，本文采用的Q550GJC钢材的物理性能指标如表1，本构模型如图2所示。表1Q550GJC钢物理性能指标钢材牌号极限应变εu极限应力fu/MPa弹性模量E/103MPa剪切模量G/103MPaQ5500.0971620679图2Q550钢材本构模型柱端弯矩随着位移荷载发生周期性变化。从反弯点处将柱截断进行分析，则柱子模型可以简化为一端刚接、另一端自由释放的悬臂柱。利用通用有限元软件ANSYS建立计算模型，采用Shell181单元。对柱施加荷载N，以集中加载的方式加到悬臂端，并在垂直于强轴的方向对构件施加水平往用荷载变形双控制的加载方式，如图3所示。首先，对钢柱施加轴向集中荷载，使构件发生初始轴向变形；然后，在保持轴向荷载不变的同时，在柱子自由端施加横向位移荷载，荷载方向沿腹板方向。取使腹板边缘纤维进入屈服状态的水平位移为d0，第1个循环幅值为0.5d0，循环1周；将阶段；然后，循环幅值以d0为级差增量增加，每个位移幅值循环3周，图3数值模拟加载方式2.2算例设计GB50011—2010《建筑抗震设计规范》[15件宽厚比的限值要求见表2。为了研究宽厚比大小对压弯构件滞回性能的影响，验证我国规范对高强度钢材宽厚比限值的合理性，本文对翼缘外伸HH03-6-35表示翼缘外伸部分宽厚比为6，腹板高厚比为35，轴压比为0.3的柱构件。所有构件的长度均取为1500mm，所有构件的长细比均小于GB50011—2010三级抗震设防时规定的长细比限值。表2GB50011—2010对Q550框架柱板件宽厚比限值要求板件名称一级二级三级四级翼缘外伸部分6.57.27.88.5腹板28.129.431.434.03计算结果4所示。从滞回曲线可以直观看出构件的最大承载力、曲线的饱满程度和承载力退化速度。同时从滞回曲线中提取出构件的恢复力骨架曲线，如图5和图6所示。其中水平反力为滞回曲线中每个加载级第一循环的正峰值腹板高厚比取值不同的承载力骨架曲线。图6所表示的是腹板高宽比、轴压比一定，翼缘宽厚比取不同值时的承载力骨架曲线。图4数值模拟滞回曲线图5不同腹板厚比对应的骨架曲线图6不同翼缘宽厚比对应的骨架曲线为了定量比较分析压弯构件在轴力和循环弯矩作用下的滞回性能，本文将从延性这一指标对构件进行评估。延性是通过延性系数μ来表征的，该系数反映了构件从边缘纤维屈服开始到整体破坏期间的塑性变形能力及承载力退化速度，延性越大，则地震效应对构件影响越小，结构整体抗震性能越好。在构件的承载力骨架曲线上可以定义一些特征点：把试件边缘纤维进入屈服状态时对应的荷载Vy和位移dy规定为该构件的屈服点；取试件到达承载力最大值时相应的荷载和位移为极值点；定义试件在最大和位移d85为破坏点。本文从滞回曲线得到骨架曲线后采用折线的方式拟和d85。根据图7，定义试件的延性系数μ的计算公式为μ=d85/dy。总结上述16根试件的计算结果见表3。4数据分析由骨架曲线得到构件翼缘宽厚比、腹板高厚比与延性系数的关系曲线，如图8所示。分析上述图表可以得到如下结论：1)观察延性系数与腹板高厚比关系的曲线可以看到，翼缘宽厚比相同的构件，随着腹板高厚比增加，延性系数下降幅度较小，延性系数曲线整体较为平缓；而翼缘宽厚比为7、8的构件，随着腹板高厚比的增大，延表3Q550H形截面压弯构件分析结果构件编号H/mmB/mmtw/mmtf/mmdy/mmVmax/kNd85/mmμHH03-5-20224130101212.28138.9439.693.232HH03-6-20224154101212.28152.2039.703.232HH03-7-20224178101212.28168.2740.433.292HH03-8-20224202101212.28178.8537.363.042HH03-5-25274130101210.04183.1632.443.232HH03-6-25274154101210.04206.0430.633.051HH03-7-25274178101210.04226.5125.692.558HH03-8-25274202101210.04246.2329.922.980HH03-5-3032413010128.49233.9126.423.112HH03-6-3032415410128.49262.3925.803.039HH03-7-3032417810128.49288.7221.442.525HH03-8-3032420210128.49310.4320.552.421HH03-5-3537413010127.35286.9622.383.046HH03-6-3537415410127.35320.5121.432.916HH03-7-3537417810127.35352.7619.242.618HH03-8-3537420210127.35382.0317.852.4图7滞回曲线特征点示意图8延性系数曲线2)观察延性系数与翼缘宽厚比关系曲线可以看到，构件，随着翼缘宽厚比增大，延性系数的变化不规则：腹板高厚比为20、25的构件，随着翼缘宽厚比的增加，延性系数大体有下降的趋势，但是在某个宽厚比值时会产生增加的突变；腹板高厚比为30、35的构件，随着翼缘宽厚比的增加，构件延性系数减小。最大承载力越大，但下降速度也越快，滞回曲线越不饱满。这是因为腹板高厚比越大，越容易发生局部屈曲，而且对翼缘的约束作用也越小。4)观察图6可以看出，腹板高厚比相同时，翼缘的宽厚比越大，构件的最大承载力越大，不过这个现象与截面尺寸有关。为保证腹板和翼缘厚度为定值，此次数值模拟的截面尺寸中变化的是工字形截面的高度和宽度，翼缘宽厚比越大则翼缘宽度方向越长，刚度也越大，所以可能会导致最大载力和延性产生影响，所以在上述模拟情况之外又增设了8个试件，尺寸如表4所示，所使用构件的高度和宽度均相同，通过改变翼缘和腹板的厚得到的构件骨架曲线如图9、图10所示，延性系数见表4。然后将新得到结论正好相反，当构件高度和宽度均相同时，翼缘宽厚比越小、腹板高厚比越小，其最大承载力越大。这是因为构件宽度相同，翼缘宽厚比越小则翼缘越厚，对强轴的抗弯刚度也越大；同理，构件的高度相同，腹板的高厚比越小则腹板越厚，抗弯刚度越大。可以看出，焊接H形钢柱在压弯作表4新增试件的模拟数据试件编号H/mmB/mmtw/mmtf/mmdy/mmVmax/kNd85/mmμhh03-7-2027417812.51210.04252.0937.983.78hh03-7-25274178101210.04226.5125.692.56hh03-7-302741788.31210.04214.9825.212.51hh03-7-3527417871210.04189.0424.492.44hh03-5-25274178101710.04282.6035.543.54hh03-6-25274178101410.04251.7733.833.37hh03-7-25274178101210.04226.5125.692.56hh03-8-252741781010.510.04206.2028.012.79图9新增构件不同翼缘宽厚比的骨架曲线图10新增构件不同腹板高厚比的骨架曲线图11延性系数与翼缘宽厚比、腹板高厚比关系曲线性系数方面，从图11可以看出，虽然腹板和翼缘的宽厚比均相同，但是因为外形尺寸的不同，延性系数会有一定的差异。图11a为腹板高厚比均为25的情况，新得数据对应的截面尺寸为274mm×178mm，而原有数据对应的截面高度也为274mm，但宽度分别为130,154,1延性系数亦略高；图11b所示为翼缘宽厚比均为7的情况，新得数据对应的截面尺寸为274mm×178mm，原有数据翼缘宽度为178mm，高度分别为224,274,324,374mm。从图11b中可以看出，腹板高厚比相同时，构件高度越高，延性系数也较大。本文通过数值计算方法模拟了焊接H形钢柱在地震作用下的压弯受力性能，并通过考察构件的延性系数来考察构件的宽厚比限值。作用下的延性系数达到3.33。对于屈服强度为550MPa的钢材，经过上述分析可以看出，构件的延性系数与构件截面的高宽比、腹板翼缘的宽厚比均有关系。按照我国现行的GB50011—2010的要求，抗震等级为一级的、屈服强度为550MPa的H形截面翼缘外伸部分和腹板的宽厚比限值1.25时，翼缘外伸部分的宽厚比可以取到7，比GB50011—2010规定的的H形截面，在地震作用下，达到全截面塑性时，翼缘的宽厚比和腹板的高宽比取值基本符合GB50011—2010的规定。参考文献InternationalAssociationforBridgeandStructureEngineering.UseandApplicationofHigh-PerformanceSteelsforSteelStructures[M]．Zurich：IABSE，2005.[2]施刚,石永久,王元清.超高强度钢材钢结构的工程应用[J].建筑钢结构进展,2008,10(4):32-38.PocookG.HighStrengthSteelUseinAustralia,JapanandtheUS[J].StructuralEngineer,2006,84(21):27-30.[4]曹晓春,甘国军,李翠光.Q460E钢在国家重点工程中的应用[J].焊接技术,2007,36(4):12-