轴心受压蜂窝钢柱承载力研究_袁晓文

4 ANSYS 分析的结果
本文就是利用有限元的方法通过对各构件进行非 线性的屈曲分析，得到了考虑初始弯曲缺陷的荷载 位移关系曲线。这些曲线有上升段和下降段组成。当 荷载位于上升段时，受压构件是稳定的，因此要使构
978-1-61896-007-8 © 2012 SciRes.
在利用弧长法进行非线性特屈曲分析时，一般施 加比预期屈曲载荷高出一些的给定载荷。同时不指定 time 值，此时，time 值最大为 1.0，各子步对应的 time 值就是其载荷因子，即各子步对应的荷载值就是其载 荷因子与给定载荷的乘积。因此本节对构件进行稳定 承载力的分析时，所有编号的蜂窝柱端部统一施加一
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2012 International Conference on Engineering and Business Management
项 保存数据库备份文件 求解。
比 蜂 窝 柱 实 腹 处 全 截 面 受 压 屈 服 ( Py 12900 235 3031500 N )适当大一些的给定竖向 荷载 P 3066750 N 。 对所有编号的原有实腹柱统一施 加一比全截面受压屈服( Py 11700 235 274950 N )） 适当大一些的竖向给定荷载 P 2790000 N 。 通过特征值屈曲分析，得到的第一阶屈曲模态图 （如 4 图）为构件绕强轴发生弯曲图，因此将分析得 到的第一阶屈曲模态各节点的位移特征向量按一定比 例系数缩小（按初弯曲的缺陷换算）缩小，作为蜂窝
本节拟对不同构件长度的扩张比为 1.4 的圆形孔及 六边形孔蜂窝钢柱(扩张后的截面高度为 420mm)与相 应的原实腹柱，在轴心压力的作用下，进行有限元的分 析。(见表 1)对蜂窝柱进行有限元分析要用到特征值屈 曲分析和非线性屈曲分析。 进行非线性分析时主要考虑 几何非线性和材料非线性。
3.1 特征值屈曲分析
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Abstract: Finite-element analysis was used by ANSYS in this paper, and finite element models are established. These models include circular hole and hexagonal hole castellated columns with expansion ratio being 1.4, solid-web steel members without expansion. And then, buckling analysis for the models under axial compression is carried out. So the bearing capacity for compressive members are obtained and analyzed. Keywords: Castellated steel columns; finite-element; ultimate bearing capacity; buckling analysis
11、13、15）和右部件（含有编号 2、4、6、8、10、12、 14、16）。再将其中之一的部件（如左部件）上下倒头 后于另一部件（如右部件）进行每隔一孔中缝对接施焊 （边 2 对边 15，边 6 对边 11，边 7 对边 10，边 3 对边 14），最后对其中一端部多余部分切去，空缺部分用一 五边形钢板进行对接焊填补。 这就是制作六边形孔蜂窝 柱的制作过程。(见图 1)
轴心受压蜂窝钢柱承载力研究
袁晓文 1，李志通 1，刘芬 2
1
石家庄铁路职业技术学院，石家庄，中国，050041
2
河北科技大学，石家庄，中国，050041 Email: yxw1995@
摘 要：本文利用ANSYS建立了扩张比为1.4的圆形孔及六边形孔的蜂窝钢柱的有限元模型，同时也建 立了扩张前的原有实腹钢柱的有限元模型。对这些模型进行了在轴心压力作用下的屈曲分析，获得了 各构件的极限承载力，并做了对比分析。 关键词：蜂窝钢柱；有限元；极限承载力；屈曲分析
3.1.4 查看结果 观察由屈曲分析得到各模态的特征值，用特征值 乘以施加的初始荷载，即可得到屈曲荷载。也可观察 由屈曲分析得到各模态屈曲形状。
3.2 非线性屈曲分析
非线性屈曲分析是在大变形影响开关打开的情况 下所作的一种静力分析，该方法用一种逐渐增加荷载 的非线性静力分析技术来求解使得结构开始变得不稳 定的临界荷载。非线性屈曲分析较为精确，可用于实 际工程。 由于非线性屈曲伴随着结构的大变形，且可能已 经超出了弹性变形的范围，因此需要计及其弹塑性。 修改后的本构关系如下图。
3 蜂窝钢柱 ANSYS 分析的过程
Table 1. The number and length of Different components 表 1. 各种构件的编号及长度
未扩张原 有实腹钢 柱编号 GZS1.4-01 GZS1.4-02 GZS1.4-03 GZS1.4-04 六边形孔 蜂窝柱编 号 FZL1.4-01 FZL1.4-02 FZL1.4-03 FZL1.4-04 圆形孔蜂 窝柱编号 FZY1.4-01 FZY1.4-02 FZY1.4-03 FZY1.4-04 模型柱长 度 l(mm) 2000 3800 5600 7400
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Analysis of Bearing Capacity for Castellated Steel Columns under Axial Compression
1 引言
蜂窝构件具有自重轻、 截面形式合理、 抗弯刚度大、 承载力高、美观和经济效益显著等特点，因此应用越来 越广泛。 但是目前关于蜂窝构件中的蜂窝受压构件的研 究工作开展的还不是很充分, 这严重制约了蜂窝构件的 推广应用。因此，开展对蜂窝柱受力性能的研究十分必 要。 本文利用 ANSYS 的有限元分析方法对扩张比为 1.4 的圆形孔及六边形孔的蜂窝轴压钢构件腹板平面内稳 定承载力进行了分析研究。
Xiaowen YUAN1, Zhitong LI1, Fen LIU2
1
Shijiazhuang Institute of Railway Tehnology, Shijiazhuang, China, 050041 Hebei University of Science and Tehnology, Shijiazhuang, China, 050041 Email: yxw1995@
Figure 4. The first buckling mode of members 图 4. 各构件的第一阶屈曲模态
Figure 3. Stress-strain curves 图 3. 应力-应变关系
Figure 5. Load -displacement curve of members 图 5. 各构件荷载-位移曲线
9200 11000 12800 14600 16400 18200
2.2 蜂窝钢柱模型的一些说明
2.2.1 计算长度 本文分析对象为两端铰接的轴心受压蜂窝钢柱， 计算长度 l0 为构件的实际长度。本文分析计算时，建 立蜂窝构件模型是将一实际蜂窝柱对等一分为二的简 化模型。断开端做为下部固定端，原端部做为在上部 自由端加载。由于制作了蜂窝柱后提高了绕强轴方向 的刚度。本文仅研究强轴方向的稳定分析。在分析强 轴方向稳定承载力时， 柱上部弱轴方向施加水平约束， 以使得其发生按强轴方向的弯曲失稳。 2.2.2 构件编号 为了说明问题方面，用 FZL1.4 代表扩张比为 1.4 腹板开有六边形的蜂窝钢柱，用 FZY1.4 代表扩张比 为 1.4 腹板开有圆形孔的蜂窝钢柱，用 GZS 代表相应 的蜂窝柱未扩张前的原有实腹钢柱。 2.2.3 截面特性 在对圆孔和六边形孔蜂窝柱分析时，蜂窝柱的计 算截面特性取为：平均截面面积 A0 ( A An ) / 2 、平均 截面惯性矩 I 0 ( I I n ) / 2 、 平均回转半径 i0 I 0 / A0 和 平均的长细比 0 l0 / i0 。其中 A 和 I 分别表示为蜂窝 柱实腹部位的截面面积和截面惯性矩，An 和 In 分别表 示为蜂窝柱空腹部位最薄弱处的截面面积和截面惯性 矩。
Figure 2. Meshing of AYSYS 图 2. ANSYS 网格划分
柱模型的初弯曲的缺陷，取 v0 l / 500 。然后进行非 线性屈曲分析。为了比较，分析中将相对应实腹柱的 荷载 - 位移关系曲线绘制在圆形孔和六边形孔蜂窝柱 的荷载-位移关系曲线图中。如图 5 所示为编号 09 的 各构件的荷载-位移关系曲线。
2 蜂窝钢柱的模型
2.1 蜂窝钢柱模型制作
在蜂窝钢柱的实际制作中， 是首先在用来制作蜂窝 钢柱的热轧 H 型钢腹板上画出一条事先计算好的折线， 然后就沿着画好的折线进行切割。 如下图切割后得到了 两个分割的部件：左部件（含有编号 1、3、5、7、9、
资助信息：石家庄市科技支撑计划项目
Figure 1. The manufacture of castellated column 图 1. 蜂窝钢柱的制作简图
特征屈曲分析的特点是计算速度快，在进行非线 性屈曲分析之前可以利用其先了解屈曲形状，预测屈 曲载荷的上限。分析步骤如下： 3.1.1 建立模型 本文分析对象为蜂窝钢柱，材料为钢材，使用的 单元为四节点壳体单元 SHELL181，壳体单元只需要 输入壳体单元的厚度，文本所用蜂窝柱模型是用热轧 宽翼缘 H 型钢 HW300×300×10×15 来制作的。 其中 腹板单元厚度为 0.010m， 翼缘厚度为 0.015m， 加劲肋 单元厚度为 0.015m。弹性模量 E 2.06 105 MPa ，泊松 比 0.3 。 首先创建关键点， 即蜂窝柱模型的控制点， 然后建立翼缘、腹板和防止发生蜂窝柱局部失稳的构 造加劲肋的面，在腹板平面进行开孔。设置好单元边 长，再选择需要划分网格的面的单元属性，然后对面 进行划分网格。 ANSYS 网格划分如图 2 所示。 本文分 析对象为一端固结一端为自由的蜂窝钢柱，底部固结 端进行为全位移约束，对上部自由端的腹板上边缘实 施垂直于腹板平面的水平约束。轴心受压分析时，在 蜂窝钢柱上部施加一轴心压力的作用。 3.1.2 获得静力解 设置为静力求解选项，打开预应力开关，以便存 储计算结果。然后进行求解。 3.1.3 屈曲求解 重新指定分析类型（Eigen Bucking） 指定特征 值提取方式 指定特征值提取数目 指定载荷步选