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焊接新方法

超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体

稳定的有限元分析

付旭敏（07000611）

摘要：

目的运用有限元方法分析计算超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定受力

特性的准确性和可靠性，以及残余应力的影响．方法运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷，对11个超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱的整体稳定受力特性进行了有限元分析，并与相应的试验结果进行对比．结果有限元计算得到的承载力与试验实测结果的平均误差<4％，且标准差<5％．残余应力的2种变化整体稳定承载力的影响<3％．结论建立的有限元模型能够准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性，为进一步运用该有限元模型对各种截面的超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性进行分析计算提供了正确性依据．残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承栽力的影响较小，可能采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数．

关键词：

超高强度钢材；轴心受压柱；焊接箱形截面；整体稳定；有限元分析

中图分类号：

TU391文献标志码：

A

0引言

20世纪80年代以来，金属材料的不断改进提高了钢结构的承载力、经济性能和使用性能，促进了钢结构的发展和应用⋯．特别是近几年来，新的钢材生产工艺大幅度提高了钢材的强度和加工性能，同时与超高强度钢材（强度标准值为460MPa一1100MPa）相匹配的具有足够强度、良好韧性和延性的焊缝金属材料和焊接技术也已经比较成熟，完全能够满足构件的加工制作要求，这使得超高强度钢材应用于钢结构成为可能心．已有的一些研究结果表明，在同样的轴心受

压条件下，采用超高强度钢材加工制作的钢柱，在整体稳定极限承载力时，其极限应力Or。

与屈服强度‘的比值or。

／f,（整体稳定系数妒），要比相同长度和截面的普通强度钢材钢柱高很多．这主要是因为相对于普通强度钢材钢柱，构件的初始缺陷（主要包括几何初始缺陷和残余应力）对

超高强度钢材钢柱的影响要小很多．目前，超高强度钢材已经在国内外多个建筑和桥梁工程中得到应用，获得了很好的效果．例如，位于德国柏林的索尼中心大楼（SonyCenter）采用了S460和$690钢材（强度标准值460MPa和690MPa）；日本横滨的LandmarkTower大厦的I形截面柱采用了600Ⅳl_Pa钢材；日本东京的两幢高层建筑JREastJapan总部大厦和NTVTower也采用了超高强度钢材H1；澳大利亚悉尼的星城饭店（StarCity）则采用了$690超高强度钢材；我国也在国家体育场（鸟巢）钢结构中采用了Q460钢材；德国Dusseldorf—Ilverich莱茵河大桥和Ingolstadt附近的一座高速公路桥梁（多跨连续梁桥）以及法国著名的Millau大桥等均应用了超高强度钢材．钢结构采用超高强度钢材，能够减小构件尺寸和结构重量，减少相应的焊接、涂层（防锈、防火等）的材料用量和施工工作量，降低钢结构成

本，同时创造更大的使用净空间；由于减小钢板厚度，从而减小了焊缝厚度，改善了焊缝质量，提高了结构疲劳使用寿命．特别是，减少钢材用量能够减少铁矿石等不可再生资源的消耗，减少矿石开采所造成的对环境的破坏，减少钢材冶炼的能源消耗，降低单位面积钢结构建筑产品原材料的能

源消耗，符合我国的可持续发展战略、保护环境基本国策和降低能耗的指导原则∞J．虽然欧洲钢结构规范∞1中提出了S460钢材（^=460MPa），美国的荷载抗力系数设计规范（LRFD）¨1中也提出了多种高强度结构钢材，最高为A514（f，=690MPa）；但是这两个规范都是仅仅将高强度钢材引入设计规范，简单套用传统的普通钢材钢结构的设计方法和计算公式，并明确指出缺乏相关的试验和研究依据．我国钢结构

设计规范（GB50017—2003）旧j所规定的最高强度钢材仅为Q420钢材（六=420MPa），尚不涉及超高强度钢材钢结构．

从目前各国钢结构设计规范来看，制定钢结构受压构件整体稳定的设计曲线时，均是考虑了截面残余应力和相当于1％o构件长度的几何初始缺陷．但由于目前超高强度钢材轴心受压构件的试验研究还比较少，而且试验中也很难将几何初

始缺陷准确地控制为1％o构件长度，所以也无法直接根据试验结果制定整体稳定设计曲线．随着有限元理论和计算机技术的发展，对钢结构轴心受压构件的受力特性进行准确的非线性有限元分析成为可能．而且，采用有限元方法能够

很好地考虑残余应力的影响，并且能将构件的几何初始缺陷准确地控制为I％o构件长度，计算结果能够直接为制定设计曲线提供依据．笔者采用通用有限元软件ANSYS，对2组共11个超高强度钢材（690MPa和650MPa）焊接箱形截面轴心受压柱的整体稳定进行了有限元分析，并与相应的试验结果进行了对比分析，验证了有限元模型的正确性．

1有限元分析

1．1试件概况

计算的超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱共11个试件，分为两组．第一组试件为6个650MPa钢材方形轴心受压柱，其截面尺寸、焊缝形式和几何初始缺陷如图1和表l所示”J．第二组试件为5个690MPa钢材轴心受压柱，包括方形和矩形两种截面，具体数据如图2和表2所示【9j．图表

中，b是截面边长，t是板厚，B是翼缘宽度，D是腹板高度，L是柱的长度，A是柱截面积，，是截面惯性矩，e是柱中截面处的总的几何初始缺陷，等于柱中截面处的构件初弯曲％和荷载的初偏心e。

之和，如图3所示．

1．2有限元模型

在有限元建模过程中，为了准确模拟试件截面，包括焊缝，首先建立用户自定义截面（Userdefinedsections）．具体方法是，先确定截面的分格数量，以确定截面关键点的数量和位置，然后建立关键点（Keypoint），并根据关键点建立相应的面，采用PLANE82单元将截面划分（mesh）成需要的

网格，用secwrite命令将已经分网的截面存成截面属性文件，以备定义BEAMI88单元时读取．两组试件的自定义截面及其分网如图4所示．第一组试件截面各边都分成18等分网格；对于第二组试件，翼缘都分成25等分网格，矩形和方形截面的腹板分别分成15和2l等分网格．所有焊缝均为1个三角形网格．已有研究结果表明，这样的网格密度已经足够精确¨0|．试件截面创建后，重新开始一个ANSYS任务，建立轴心受压柱的有限元模型．所有柱子均采用三维有限应变梁单元BEAMl88模拟，且每根柱子均划分20个单元．BEAMl88单元适于分析长细比从大到中等的各类梁柱构件¨1|．典型试件的有限元模型如图5所示．

图

两组试件的钢材均采用yonMises屈服准则和多线性随动强化模型，应力一应变关系分别如图6和图7所示，数据来自材性试验实测结果，泊松比取0．3．图中，五是钢材屈服强度，工是钢材极限强度．在模型中，Y轴为通过截面中心沿试件长度方向，X轴和z轴分别是截面的弱轴和强轴．对于所有试件的有限元模型，所有节点（node）的扭转变形和X向平动位移均被约束，试件两端的z向位移以及试件底端的Y向位移也被约束．

1．3分析过程

所有试件的分析计算过程都分三个荷载步．第一荷载步，创建没有几何初始缺陷和残余应力的试件模型，施加位移约束，并在柱顶施加一个小于柱截面屈服荷载的轴向压力，然后进行静力（Static）求解，以获得模型的刚度矩阵．第二荷载步，进行特征值屈曲（EigenBuckling）分析，求解得到柱子的屈曲模态．第三荷载步，将柱截面残余应力作为初始应力输入模型，采用柱子的一阶屈曲模态作为几何初始缺陷的变形状态，并输入几何初始缺陷的数值（如表l和表2所示），施加轴向压力荷载，采用弧长法进行求解．在第三荷载步求解过程中，求解类型选择“大变形静力（LargeDisplacementStatic）”，以考虑几何非线性的影响¨21；同时，施加荷载的数值应通过几次试算，使得最终计算得到的收敛的子

步最大时间接近l，以保证结果具有较高的精度．

1．4几何初始缺陷

在输入试件的几何初始缺陷时，在第二荷载步特征值屈曲（EigenBuckling）分析结果的基础上，用木get命令提取柱中截面处的位移（需考虑位移数值的正负号取绝对值最大值），计算得到柱中截面处几何初始缺陷实测值（如表l和表2所示）相对于此位移值的比值；然后采用UPGEOM命令，选择柱子的一阶屈曲模态作为几何初始缺陷的变形状态，并将这一比值输入，则输入有限元模型的试件几何初始缺陷即为试验实测值．

1．5残余应力

对于第一组试件，试验实测的截面各边中部的残余压应力分别为145MPa、92MPa、1481VIPa、105MPa，其中最大值148MPa约为0．2坑口]．对于第二组试件中的方形截面，试验实测的截面各边中部的残余压应力最大值约为

0．1瓴归]．可以看到，超高强度钢材焊接截面残余应力的实测值明显小于欧洲钢结构规范和我国钢结构规范在制定柱子曲线时所采用的残余应力数值笔者在分析各试件的整体稳定受力特性时，对每一个试件均采用三种残余应力分布模式进行计算，以分析残余应力变化对超高强度钢材轴心受压柱整体稳定受力特性的影响．试件的残余应力分布如表3—8和图8～9所示，应力正值表示受拉，负值表示受压；其中，RS—S为残余应力基本分布模式，是根据试验实测结果分析得到；RS+1和RS—l则是在RS—S基础上分别适当

增大和减小残余应力．图8和图9（a）中，为拟采用的残余应力分布模式，而在有限元模型中输入残余应力时，是将残

余应力施加在柱截面每一个网格的积分点上作为初始应力的．对于所建立的模型，柱截面每个网格有4个积分点，为了建模和计算方便，对于每个网格中的4个积分点，采用相同的残余应力值，即对于残余应力变化的网格，均采用此网格残余应力的平均值施加到该网格的4个积分点．所以，实际采用的残余应力分布模式如图8（b）和图9（b）所示，具体分布范围和数值如表3—8所示．在有限元模型中，输入残余应力的方法是：

第一步，在用户界面中选择Preprocessor一>See—tions一>ListSections或者直接运用命令SLIST列出所用单元（BEAMl88）截面所有积分点的坐标，根据每个积分点的坐标以及上述所采用的残余应力分布模式，可以计算得到其残余应力数值．将一个单元的所有积分点的残余应力储存在一个1．6结果对比和讨论数组内，由于每个积分点的应力包括6个分量，所有限元计算得到的典型试件的极限变形状态以数组为二维数组，数组的大小为：

积分点数量×（Z轴方向位移）如图10所示．有限元计算得到的

6，即数组行数为积分点数量，列数为6．对于钢结构分析计算，通常所考虑的残余应力仅为沿构件长度方向的应力，即积分点应力的第一分量，所以只需将计算得到的每个积分点的残余应力储存在第一分量的位置，其余分量均取零．第二步，将计算得到的残余应力存成残余应力文件．用木CFOPEN创建并打开一个文件，用，lcVWRITE命令将残余应力写入文件．对于同一个试件模型，所有BEAMl88单元的残余应力分布完全一样，所以采用半DO循环，将霉VWRITE命令循环执行n次（n为试件划分单元的数量，本文为20），而执行一次水VWRITE命令，即可将一个单元截面所有积分点的残余应力写入文件．第三步，在上述有

限元分析计算的第三荷载步求解过程中，采用IS—

FILE命令将残余应力文件读入，则完成将残余应图10典型试件B1150E的极限变形A力输入试件截面．由于RS—S采用的是试验实测得到的残余应力，从表9和表10中RS—S计算结果与试验结果的对比可知，建立的有限元模型能够准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定承

载力，能够准确模拟几何初始缺陷和残余应力对构件整体稳定受力特性的影响．从RS+1和RS一1相对于RS—S计算结果的变化和比较可以得到，残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小，这与已有的相关研究的结论一致．

2结论

（1）建立的有限元模型能够准确模拟几何初始缺陷和残余应力对构件整体稳定受力特性的影响，从而准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定承载力．这为进一步运用该有限元模型对各种截面的超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性进行分析计算提供了正确性依据．

（2）残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小．所以，对于超高强度钢材轴心受压柱，可能采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数．

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