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冷彎薄壁型鋼立柱軸壓性能有限元分析

發(fā)布于:2024-04-06 21:29
有限元分析

      近年來(lái),隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,人們對于住宅的整體性能和建筑的環(huán)保要求越來(lái)越重視,在這一背景之下,冷彎薄壁型鋼結構住宅以其結構自重輕、施工過(guò)程簡(jiǎn)單且周期短、布局靈活多變、室內外空間整體性好、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn),得到了很大的發(fā)展,并漸漸在住宅建筑新體系中占據了一席之地。在實(shí)際工程中,通常采用由多個(gè)單肢C形、U形基本構件通過(guò)自攻螺釘連接而成的拼合構件來(lái)作為該體系的承重結構,通過(guò)調節基本構件的數量和擺放位置可以拼合成不同的截面形式,以滿(mǎn)足各種使用要求的需要。
      目前,國內外學(xué)者對于單個(gè)基本構件(C形截面、U形截面)的受力性能已有較為系統的研究成果,現行規范中對單肢基本構件也有明確的計算設計方法,而對于工程中廣泛應用的拼合構件缺乏足夠的試驗和理論研究;谏鲜鲈,本課題組對11種典型截面形式冷彎薄壁型鋼拼合截面立柱進(jìn)行系列試驗與理論研究,本文針對其中雙肢閉合截面拼合立柱進(jìn)行有限元分析,主要研究長(cháng)細比和腹板高厚比對其軸壓受力性能的影響。
      本文所研究的雙肢閉合截面拼合立柱是由2個(gè)C形基本構件和2條75mm寬的鋼帶通過(guò)螺釘拼合而成,截面形式和單肢基本構件尺寸分別如圖1,2所示。拼接螺釘采用ST4.8級平頭自攻螺釘,螺釘縱向間距:沿構件縱向長(cháng)度取為300mm,約為基本構件截面高度的2倍,所有構件兩端100mm處加強連接;螺釘橫向間距:構件連接時(shí),兩列螺釘分別位于兩C形截面翼緣中間,間距為43mm。試件編號規則如圖所示,拼合截面幾何特性如表所示(以140-3000-1.5為例)。
      參照文獻中試驗,柱端邊界條件設置為兩端雙向鉸接,為了較為精確的模擬雙向鉸接邊界,本文采用雙向刀口鉸支座進(jìn)行模擬,具體設計如圖所示。此外,為方便試件與雙向刀口鉸支座的連接,立柱上下端部各設置360mm×280mm×15mm端板。
      本文主要研究雙肢閉合截面拼合立柱的軸壓受力性能,在有限元分析中采用塑性殼單元Shell181來(lái)模擬C形基本構件和連接兩個(gè)C形基本構件的鋼帶,采用Solid185單元模擬立柱端板和雙刀鉸支座。建模時(shí),首先在ANSYS有限元分析軟件中建立幾何模型,并在幾何模型的基礎上進(jìn)行有限元模型的建立。采用自下而上的方式建立幾何模型,即先建立控制拼合立柱橫截面的關(guān)鍵點(diǎn),再由關(guān)鍵點(diǎn)生成線(xiàn),由線(xiàn)生成面,由面生成體,從而建立拼合立柱的幾何模型,結果如圖所示。
      在設定材性時(shí),參照文獻中材性試驗數據進(jìn)行取值:對于C形基本構件和鋼帶,彈性模量E=2.12×105MPa,波松比μ=0.3,屈服強度f(wàn)y=305.4MPa,抗拉強度f(wàn)u=369.7Mpa;對于端板和雙刀鉸支座,則采用普鋼Q235的材性,且為了更好地模擬試驗,避免雙刀鉸支座和端板的變形對構件變形量產(chǎn)生影響,將其剛度放大,近似看成是剛性體。
      本文對于拼合立柱采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù),用面來(lái)控制單元尺寸的大;對于端板及雙刀鉸支座,由于其幾何形狀非常規則,采用映射網(wǎng)格劃分和掃略網(wǎng)格劃分技術(shù)。網(wǎng)格尺寸的大小對于有限元模型的計算精度會(huì )有較大影響,較細的網(wǎng)格會(huì )使計算結果更加精確,但是同時(shí)也會(huì )顯著(zhù)增加計算成本。最終在權衡各方面因素的基礎上,決定對于立柱網(wǎng)格尺寸采用15mm,端板及刀鉸網(wǎng)格尺寸采用20mm。


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