腹板開(kāi)孔鋼梁三種加固方式的有限元分析

范新杰

(錦州市石油化工設(shè)計(jì)研究院，遼寧 錦州 121000)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)建筑物的使用功能需求日益增加，這就導(dǎo)致了需要在建筑物中布置大量的管線。為了避免由于在建筑物內(nèi)布置管線而使建筑有效使用空間減小這一現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師不得不采用在鋼梁腹板部位開(kāi)孔，從而使管線在鋼梁腹板部位穿過(guò)的方法。然而，采用這種方法將導(dǎo)致鋼梁的剛度及承載力受到削弱。因此，GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]分別提出了，對(duì)鋼梁腹板開(kāi)孔部位進(jìn)行加固的相關(guān)規(guī)定。在實(shí)際工作中，對(duì)于這些加固措施對(duì)鋼梁力學(xué)性能的影響趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師還尚不明確。因此，下面將利用有限元分析結(jié)果即荷載-跨中位移曲線和Mises應(yīng)力云圖對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)討論。

1 有限元模型

本文采用ABAQUS 2017版單元庫(kù)中的4節(jié)點(diǎn)有限應(yīng)變殼單元S4R，對(duì)模型中所有部件進(jìn)行模擬。不考慮鋼梁的初始幾何缺陷，鋼材的彈性模量E=206×103N/mm2,鋼材的屈服強(qiáng)度為345 N/mm2；采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)有限元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，模型的網(wǎng)格劃分尺寸為20 mm；鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型；所有模型鋼梁一端的U1，U2，U3，UR方向的自由度被約束，另一端U1，U2，U3方向的自由度被約束；鋼材的屈服準(zhǔn)則采用von Mises屈服準(zhǔn)則。

兩組模型鋼梁的跨度為5 400 mm，橫截面均為H450×200×8×12；圓孔直徑為200 mm，矩形孔的尺寸為200 mm×600 mm；圓孔和矩形孔的間距分別為500 mm和1 000 mm，滿足GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定。兩組模型的加載方式是對(duì)鋼梁進(jìn)行三分點(diǎn)兩集中力單向加載。鋼梁兩組模型圓孔和矩形孔的加固數(shù)據(jù)如表1，表2所示。兩組有限元模型如圖1，圖2所示。

表1 第一組有限元模型圓孔的加固參數(shù)

表2 第二組有限元模型矩形孔的加固參數(shù)

2 有限元分析結(jié)果

2.1 荷載-跨中位移曲線

通過(guò)對(duì)圖3三條曲線的發(fā)展趨勢(shì)的分析可知：當(dāng)跨中位移在45 mm以下時(shí)，三條荷載位移曲線基本重合，說(shuō)明三者此時(shí)都處于彈性工作階段。當(dāng)荷載繼續(xù)增加至171.2 kN時(shí)，鋼梁L1率先達(dá)到了極限承載力；而此時(shí)鋼梁L2，L3處于彈塑性階段；由此采用鋼套管和雙側(cè)環(huán)形板對(duì)圓孔的加固作用就顯現(xiàn)出來(lái)。鋼梁L2，L3能夠承受的極限荷載分別為180.5 kN和181.5 kN,相較于鋼梁L1分別提高了5.4%和6%。此外，鋼梁L1曲線的屈服平臺(tái)段長(zhǎng)度明顯小于鋼梁L2，L3，說(shuō)明通過(guò)采用鋼套管和雙側(cè)環(huán)形板對(duì)圓孔加固后，鋼梁的延性有了顯著的提高。

通過(guò)對(duì)圖4中兩條極限承載力曲線的對(duì)比可以看出：不僅鋼梁L1的初始剛度低于鋼梁L2,而且當(dāng)荷載增加到145.5 kN時(shí)，鋼梁L1達(dá)到了極限承載力，而此時(shí)鋼梁L2仍就處于彈性工作階段。這種現(xiàn)象表明：采用雙側(cè)縱、橫向加勁肋對(duì)矩形開(kāi)孔進(jìn)行加固，有效地推遲了鋼梁進(jìn)入塑性階段。由于開(kāi)設(shè)兩個(gè)矩形孔對(duì)鋼梁L1產(chǎn)生的削弱，鋼梁L1在達(dá)到極限承載力之后，承載力突然降低，破壞過(guò)程具有脆性傾向；而反觀鋼梁L2，當(dāng)荷載增加至極限荷載181.7 kN之后，又經(jīng)歷了一段比較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)拐點(diǎn)后才逐漸發(fā)生破壞。

2.2 Mises應(yīng)力云圖

由圖5可知，在第一組有限元模型中的鋼梁L1，L2，L3在最終發(fā)生破壞時(shí)，上翼緣都產(chǎn)生了半個(gè)波的屈曲；但是，鋼梁L1的上翼緣和孔邊此時(shí)的應(yīng)力集中程度明顯高于鋼梁L2，L3；這是由于鋼梁L1開(kāi)圓孔處截面受到了削弱且并未對(duì)其采取任何加固措施。基于以上原因，鋼梁L2，L3分別采取了鋼套管和雙側(cè)環(huán)形板對(duì)圓孔部位進(jìn)行了加固，使二者上翼緣和孔邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象較鋼梁L1得到了緩解。除此之外，對(duì)圓孔采取的加固措施還使得塑性鉸出現(xiàn)的部位產(chǎn)生了變化即由孔邊轉(zhuǎn)移到了鋼梁的跨中部位，并且塑性鉸區(qū)域的范圍也較之前擴(kuò)大了不少。

由圖6可知，開(kāi)有矩形孔的鋼梁L1，在剪力和由剪力產(chǎn)生的次彎矩共同作用下，塑性發(fā)展區(qū)域僅限于矩形孔的四個(gè)角部，形成了“四鉸機(jī)構(gòu)”空腹破壞狀態(tài)；與此同時(shí)，在矩形孔的上翼緣都產(chǎn)生了局部屈曲。以上現(xiàn)象表明，鋼梁L1的極限承載力偏低，塑性發(fā)展受到限制，材料的強(qiáng)度利用率不高?；谝陨喜焕蛩兀摿篖2依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》在鋼梁L1的基礎(chǔ)上，對(duì)兩個(gè)矩形開(kāi)孔周圍加設(shè)了縱橫向加勁肋。從有限元計(jì)算得到的最終發(fā)生破壞時(shí)的Mises應(yīng)力云圖可以看出，塑性發(fā)展區(qū)域由原來(lái)的僅存在于兩個(gè)矩形孔的四個(gè)角部，變成了出現(xiàn)在鋼梁L2的跨中部位，而且塑性鉸區(qū)域得到了充分的發(fā)展。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)開(kāi)有圓孔的鋼梁加設(shè)套管和雙側(cè)環(huán)形板；以及對(duì)開(kāi)有矩形孔的鋼梁加設(shè)縱橫向加勁肋的加固措施，可以使鋼梁的極限承載力和延性得到進(jìn)一步提高[3]。2)腹板開(kāi)圓孔鋼梁的兩種加固措施套管和雙側(cè)環(huán)形板，對(duì)于鋼梁跨中截面的剛度和延性的提高幅度很接近[4-5]。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中可以根據(jù)具體情況，任意選擇這兩種加固方式的其中一種。3)本文中的有限元模型，是按照規(guī)范的加固構(gòu)造措施最低要求建立的，從有限元的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，加固后開(kāi)孔鋼梁的跨中截面的剛度和延性都有了一定程度的提高[6]。因此，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，不要隨意的提高加固的構(gòu)造措施要求，以免造成不必要的浪費(fèi)。