摘要拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)由冷成型弧形槽型板組截面構(gòu)件鎖邊咬合而成,其極限承載能力受多種因素的影響,并主要取決于其穩(wěn)定承載性能.文中根據(jù)拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的成型特性和工作機理,在所建立的實體有限元計算模型中,采用能夠反映結(jié)構(gòu)特殊工作狀態(tài)的邊界約束條件,對結(jié)構(gòu)在半跨和全跨豎向荷載作用下的屈曲模態(tài)以及其穩(wěn)定承載能力等屈曲性能進行理論分析.理論計算結(jié)果表明,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的屈曲性能不僅與結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān),而且取決于截面的形狀和荷載作用形式.計算結(jié)果與試驗結(jié)果和按5拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(報批稿)6簡化方法計算結(jié)果,分別進行比較分析.

關(guān)鍵詞拱形波紋鋼屋蓋,冷彎薄壁板組,屈曲性能,屈曲模態(tài),槽型截面

中圖分類號TU392.102文獻標識碼A

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采用很薄的鋼板(一般0.5~1.5mm厚)制成,是一種典型的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)112.它通過改變截面型式而不是通過提高材料用較大的人員和財產(chǎn)損失,表明對其承載特性尚未完全了解.因此,有必要對這種結(jié)構(gòu)的工作機理、破壞模的實體有限元計算模型中,采用能夠反映結(jié)構(gòu)特殊工作狀態(tài)的邊界約束條件,對結(jié)構(gòu)在半跨和全跨

基金項目華僑大學科研基金資助項目(03BS406)

豎向荷載作用下的屈曲模態(tài)及其穩(wěn)定承載能力等屈曲性能進行理論分析.計算結(jié)果表明,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的屈曲性能不僅與結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān),而且取決于截面的形狀和荷載作用形式.同時,本文將理論計算結(jié)果與足尺模型試驗結(jié)果,以及按5拱型波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(報批稿)6(以下簡稱/5規(guī)程60)簡化方法計算結(jié)果分別進行比較.結(jié)果表明,5規(guī)程6方法和本文方法在計算結(jié)構(gòu)整體屈曲模態(tài)下的極限穩(wěn)定承載能力方面,均具有較高的精度和可靠度.本文方法可適用多種屈曲模態(tài)的分析.

1結(jié)構(gòu)計算模型和約束條件

1.1有限元理論分析模型的建立

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的截面可劃分為矩形槽型板組截面和梯形槽型板組截面,如圖3所示.目前,國際上廣為應用的截面型式是美國MIC公司開發(fā)的MIC-X系列,主要有MIC-120,MIC-160和MIC-240.國內(nèi)廠家在參考國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上開發(fā)的MMR-118,MMR-178,MMR-238112以及W-666122等面型式也有大量使用.本文以MIC-120和MIC-240截面型式為研究對象,采用ANSYS軟件對其在半跨和全跨荷載作用下的屈曲性能進行分析.拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)單元截面的翼緣和腹板均被成型設(shè)備輥壓出許多橫向波紋,這些橫圖3截面形式向波紋幾何構(gòu)型復雜,很難按實際形狀進行建模.如何在有限元計算模型中考慮波紋的影響,是本文研究的關(guān)鍵點和難點之一.考慮到建模的方便,以及盡可能反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)和邊界約束條件,經(jīng)仔細研究和反復試算,本文采用兩種截面模型進行計算分析,如圖4所示.圖4(a)為不考慮波紋的等厚度截面模型,該模型的計算結(jié)果主要用于研究波紋對結(jié)構(gòu)承載能力的影響;圖4(b)為5規(guī)程6建議采用的變厚度截面等效模型1即根據(jù)等剛度原則,通過改變截面厚度的方法來等效波紋的面內(nèi)剛度,波紋越深,厚度越小,且等效后忽略局部屈曲的影響.該模型用于研究5規(guī)程6采用的變厚度截面等效模型的適用性.變厚度截面各點的厚度teq可按如在式(1)中,teq為截面上計算點的等效厚度;t為截面原板件厚度;h為截面上計算點的波紋深度,可根據(jù)計算點在截面中的位置確定,即

在式(2)中,b為小波紋寬度,由成型設(shè)備的型號確定;Hc,Rc分別為截面上計算點所在圓弧的半徑,以及計算點到截面腹板上邊緣的距離.

1.2網(wǎng)格劃分

由于波紋板組的厚度很薄,等效截面則更薄,很薄弱處往往不足0.1mm.因此,根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論,變厚度截面等效模型在大部分情況下,截面的局部屈曲會先于結(jié)構(gòu)的整體屈曲發(fā)生.但在5規(guī)程6中,變厚度截面等效模型建立的一個前提條件,就是不考慮截面局部屈曲的影響.因而在有限元分析中,必須避免計算模型發(fā)生局部屈曲,才能對結(jié)構(gòu)的整體屈曲特性進行分析.本文經(jīng)過反復分析和試算后發(fā)現(xiàn),可以利用ANSYS的自動尋解功能,在分析中通過調(diào)整網(wǎng)格劃分精度得到不同的屈曲模態(tài)及相應的

第4期 高軒能等:拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的屈曲性能分析

計算結(jié)果如表1所示.局部相關(guān)屈曲臨界應力Rc按5GB50018冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范6182有關(guān)公式計算,整體失穩(wěn)臨界應力R按歐拉公式計算.從表中結(jié)果可以看出,對同一模型采用不同精度的網(wǎng)格劃分后,所得出的局部相關(guān)屈曲和整體失穩(wěn)臨界應力平均值和標準差分別為1.0383,0.059263和0.9274,0.025438,均具有滿意的精度.本文對等厚度截面模型采用較高精度的網(wǎng)格劃分,以獲得其實

際的屈曲模態(tài)(如果局部屈曲先于整體屈曲發(fā)生,則首先得到局部屈曲模態(tài);否則為整體屈曲模態(tài)).對變厚度截面模型采用較低精度的網(wǎng)格劃分,以獲得整體失穩(wěn)模態(tài).

1.3板組結(jié)構(gòu)邊界條件的確定為便于與5規(guī)程6比較,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的支座形式均假設(shè)為兩端鉸支.槽型板組截面的邊界約

上邊緣縱向簡支約束的邊界條件,如圖6(a)所示(腹板、翼緣分別指豎板和水平板).

2理論計算結(jié)果與比較分析

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力取決于其屈曲模態(tài).拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的可能屈曲模態(tài)有,整體屈曲、局部屈曲和畸變屈曲,以及它們的相關(guān)屈曲等.為探討拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)在不同荷載條件和跨度下的屈曲性能和極限承載能力,以及驗證5規(guī)程6推薦計算方法的有效性,本文按上述方法對表2足尺模型試驗樣本進行了理論計算和分析.表中,d為跨度,H為拱高,t為板厚,Pu為極限載荷1為考慮結(jié)構(gòu)的二階效應,計算時利用了ANSYS的非線性曲殼單元和自動尋解功能.表3為本文理論計算結(jié)果、5規(guī)程6方法計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較和統(tǒng)計參數(shù).臨界屈曲荷載Pcr的計算方法分3個步驟.(1)給定應力梯度.

(2)通過ANSYS分析給出屈曲臨界應力.(3)根據(jù)給定的應力梯度和截面特性反算出Pcr.Ps的確定則需按5規(guī)程6計算方法根據(jù)荷載作用情況和截面型式計算出很不利內(nèi)力后再反復迭代才能求出.具體計算過程繁瑣,此處略去.比較分析表3中的計算結(jié)果,可得3個結(jié)論1(1)不考慮波紋影響的等厚度截面模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果嚴重不符,計算結(jié)果不可用;而考慮波紋影響的5規(guī)程6變厚度截面模型,不管是本文方法還是5規(guī)程6方法,總體上與試驗結(jié)果符合較好.一方面表明,拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)極限承載能力的計算必須考慮波紋的影響;另一方面,表明5規(guī)程6推薦的變厚度截面模型對于計算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定承載能力是可行的.(2)對于小跨度(7m)情況下的矩形槽截面(序號1,2),本文計算模型(b)給出的整體屈曲荷載均遠高于試驗荷載.5規(guī)程6方法對序號1給出的結(jié)果遠高于試驗荷載,而對序號2給出的結(jié)果則遠低于試驗荷載.根據(jù)文獻15~72對受壓波紋板組的理論和試驗研究結(jié)果,波紋板組的屈曲荷載高于同尺寸平板板組,而且沒有屈曲后承載能力.由此可見,結(jié)構(gòu)的實際破壞模態(tài)是波紋板組發(fā)生了

局部相關(guān)屈曲,此時不能按整體屈曲模態(tài)計算.5規(guī)程6計算方法有可能導致錯誤結(jié)果,應引起重視.(3)對于跨度10m以上的矩形槽截面(序號3~6),本文方法和5規(guī)程6方法得出的整體屈曲臨界荷載與試驗結(jié)果均符合較好,誤差較小.表明結(jié)構(gòu)的承載能力由整體屈曲模態(tài)決定.(4)對于梯形槽截面(序號7~10),其屈曲模態(tài)的判定較為復雜.從理論計算與試驗結(jié)果的比較情況看,結(jié)構(gòu)既有可能發(fā)生整體屈曲,也有可能發(fā)生與局部屈曲相關(guān)的整體畸變屈曲.這視荷載作用和截面缺陷情況而定.對于試驗結(jié)構(gòu)發(fā)生整體屈曲破壞的情況(序號7,8,10),理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好.對于試驗結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變屈曲破壞的情況(序號9),理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果有較大誤差.說明5規(guī)程6中對這類屈曲模態(tài)未作考慮,有高估其承載能力的危險.(5)表3中很下兩行數(shù)值為3,4,5,6,7,8,10組試驗的平均值和標準差,5規(guī)