耋墨弘渊．一㈧
蜂窝钢构件弯矩作用平面内稳定承载力的有限元分析
’
耿琳
(淀粥建筑大学±本工程学辽宁沈期110168)
【籀瓣】应用大型有戳元软件A N sY S 对蜂窝式压弯构件进行分析。了解正六边形孑乙蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定承斌力的特性，为工程设计提供参考．
[关键询) 有限元蜂窝式压弯构件稳定承载力
中凰分类号：TB 2文献标识码：^文章编号：1671--7597(2008) 0620088--01
蜂窝构件作为一种经济合理的构件形式在工稷中得到了广泛的研究和应用。钢蜂窝构件是将宽翼缘工字钢(H 型钢) 藏酱通工字钢，切割再焊接丽残的空腹构搏。蜂窝梅件具有自幕轻、承载力离、经济、美勰等优点，蜂窝橡镣瓣截瑟态度为簸藿镄酶1。3～1．6倍，霆两较大逮挺鸯了凝钢褥佟的抗弯强度和刚度。它比实腹构件可节约钢材25％～50％，节省油漆和安装运输费用15％～34．6％，蜂窝构件腹板的孔洞既美观又便于安设镑道和电线，因此，蜂窝构件程工程实际应嬲中具有很大实用输值[1—2】。近些年，我嚣辩技入萎霹多边形琵蜂窝铜粱律了一夔磷究，莠避行“芗援广痤用，取得了较好的社会效益和经济效髓。但对于蜂窝式压弯构件的研究比较少，这就为蜂窝式钢构件的推广遥用带来了困难。笔者利用大魁有限元软件A N SY S 对几组蜂窝斌压弯钢构髂弯矩作用乎蕊内稳定承载力避行了分辑，褥爨了～些结论，为工程设诤褥供参考。
一、霄曩元分析攥楚
根据阑外‘些有芙试验资料与有限元理论分析的结果进行比较两者吻合较好，碳究表明应用肖限元对钢构佟进行分析贝露可行性。因此，笔者采惩大鍪鸯蔽元势氍较移A N S Y S 建立了有疆茏努耩模型，采弱三缨8苓煮SO LI D 45安体单元进行嗍格划分，每个节点上有6个自由度，x 、y 、z 三个方向的位移，以及绕x 、y 、z 三轴的转动(3]。为突出孔洞构造对蜂窝构件受力性能的影响，建模时忽略了焊缝鄢焊接残余废力的影蟾。镪树为Q 235钢，分耩辩麓话为理想戆弹鎏蛙挨型，采薅Von M i s es 疆骚醒戮及蔟糖关夔流动法则e 4】。材料为备项同型，弹性模量为2．06×105M pa ，泊松比为0．3，屈服强度为235M pa 。加载方式采用端部集中力轴向加载，因此，模型构件的。端采用固定铰赢座，加载端莱用滑动铰支缝，崮定铰支座通过约素蜂窝狡移漩蘸燕载轰戆黠称点x 、y 、z 三令方囱鹣线建移来实瑰，澄魂铰支座端只怒不约束加载点z 方向的线位移，其他约柬情况同固定铰文座；为防止构件发生弯矩作用平面外位移，程模型长方向的两个1／3处分别设置了侧向支撑，通过约柬构件在这两处冀缘单元所有节点x 方向的线位移来实现。兔貔囊蜂窝构终在簇孛力蕊载豢楚发生是部弼蘩，在模銎穗壤缮设了强度较大的铺板，集中力作用在钢板上，再传递给拇侔。
分析对象为两组，第一组是扩张前原H 型钢(型号为H 100×100x6×8) 与按扩张比为1．5进行扩张后的正六边形孔蜂窝构件进行对比{第二组是长瘦_秘藏嚣摇强，实羧擒纷竣及不阏拜琵率豹援六边形弦蜂鬻构转之翔的对比
歼旄率分剐为30％、50％、70％，开孑L 率为碟六边形孔上下边缘之阊
的距离(涧u 高度) 与构件截面高度的比值。
二、攥曲变形
蜂窝稳传是。转黢裁多强戆交馥嚣镄稳转，箕巍力移交形谤舞，一壹是材瓣力学滩以解决的问题。受腹板开孔的影嗡，蜂窝构件横截黼应力分布与实腹构件是不同的，孔洞的存在使某些部位存在严重的应力集中，其受力机理小符合传统的弯曲理论。
在一般雯疆式钢季奄羚孛，剪力匏挠夔变形熬影璃是缳，l 、豹，疆敦忽珞不诗。对于蜂窝构件由于高跨比较大；同时腹板不连续且面积粼弱较多，因而剪力引起的挠曲变形就绝对不能忽视。蜂窝构件的挠曲变形由弯矩、剪力和次驽矩等引起的三项挠度所组成C 5]，即
F 慧=f M +f V +f C M
(i)
式巾：f 总蜂窝鬃总的挠癌变形：
删一弯矩引起的挠曲变形；
f v —～剪力引起的挠曲变形；
f C li l ----势力次弯蜒萼l 起熬挠麴交澎。
回
剪力和剪力次弯矩对构件产生的挠度，占总挠度的比例分别与荷载形式、构件的扩张比、高跨比、开孔形式及开孔率有关。在荷载的作用下，剪力和剪力次弯矩产生的挠度占总挠躞的比例也会增大。剪力次鸯矩对每个蜂窝琵擎元；}莛鹃挠琰变形，燕鑫耩藏蘑在赘力髂塌下懿弯蘧变形帮墩截面转动变形叠加而成的+当孔的周阑出现塑性区域时，构件挠度明显增加，挠度一荷载关系为曲线。
三、煮纛元计羹绩鬃凝分辑
(一) 扩张藏实疆蔽≮扩张后蜂窝式篷夸{每释窍雅作餍平蠢内檄黻承载力的比较。有限元计算结果见下表1。
表1蜂窝式压弯构件与扩张前寅髓式压弯构件檄限承载力比较
扩张翦
扩强后有限』￡结袋掏释长壤
扩张翦藏
扩张毪
长纲耽
长细拖
《106N 》
撮鞭簿蔽
(m s)
面高度
K
(∞m )
^
丑
扩张前
蜂高压提高幅度
实腹戏
弯构件
2140100l ，5
51，140021260，301541．8％
2{瑚
l o o
l ，5
64．050
0。1946
0，281244，瓣3216
l ∞1．吝
76，8
r i o
0+1730
0。260750，科3753l ∞
1．5
鹕．670
乱1513
O ，2398
58．端
由表巾可以看出，相同长度蜂窝式压弯构件比扩张前实腹式骶弯构件发生平蔼内失稳的极限承馘力有很大的提高。丽且长绷比越大，掇燕的幅疫越大。这群在绦证安全逶用懿蘸疆下，簸蒂鳕镶耱熬旁凌毒发，褒结构
设计中宜选用蜂窝式构件。
(二) 在长度和截耐相同的情况下，实腹构件匈不同开孔率的蜂窝构件之闯的对比。
慰长缨跑分裂为40黼耪100m 熬嚣缀实簇式悉耷稳势纛具鸯籀弱长度，截面的蜂窝式压弯构件施以弯矩作掰平面内，偏-b 矩为50m m 的轴向作用力。经过有限元软件模拟计算，得到构件发生平面内失稳破坏的衙载一位移圈。见圈1、圈2。
图1九=40荷载一位移图图2九=loo 荷载一位移豳
鑫强t 、夔2可班看出，对于褶周长发蜂窝式压驽橡转，疆簧嚣魏搴熬逐渐增大，构件发生平藤漆失稳豹辍隈承载力逐渐下降，且援限承栽力下降曲线趋势熬本一致。
随着构件长细比的增犬，荷载一位移曲线逐渐串满，这是因为随着长绸毙兹增热，蜂窝式疆弯拣锫破坏时变彩越来越大。长细逆较小辩，蜂窝式压弯构件较限承载力下簿趋势较瞬藏，谎明极限承载力受到开张羽影睛较大。随着长细比的增大，极限承载力“F 降趋势越来越弱，说明随漪长细比的增大，汗孔对构件极限承载力的影响较小。这越因为当构件长细比较
(下转蘩14虿)
耋墨弘渊．一㈧
蜂窝钢构件弯矩作用平面内稳定承载力的有限元分析
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耿琳
(淀粥建筑大学±本工程学辽宁沈期110168)
【籀瓣】应用大型有戳元软件A N sY S 对蜂窝式压弯构件进行分析。了解正六边形孑乙蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定承斌力的特性，为工程设计提供参考．
[关键询) 有限元蜂窝式压弯构件稳定承载力
中凰分类号：TB 2文献标识码：^文章编号：1671--7597(2008) 0620088--01
蜂窝构件作为一种经济合理的构件形式在工稷中得到了广泛的研究和应用。钢蜂窝构件是将宽翼缘工字钢(H 型钢) 藏酱通工字钢，切割再焊接丽残的空腹构搏。蜂窝梅件具有自幕轻、承载力离、经济、美勰等优点，蜂窝橡镣瓣截瑟态度为簸藿镄酶1。3～1．6倍，霆两较大逮挺鸯了凝钢褥佟的抗弯强度和刚度。它比实腹构件可节约钢材25％～50％，节省油漆和安装运输费用15％～34．6％，蜂窝构件腹板的孔洞既美观又便于安设镑道和电线，因此，蜂窝构件程工程实际应嬲中具有很大实用输值[1—2】。近些年，我嚣辩技入萎霹多边形琵蜂窝铜粱律了一夔磷究，莠避行“芗援广痤用，取得了较好的社会效益和经济效髓。但对于蜂窝式压弯构件的研究比较少，这就为蜂窝式钢构件的推广遥用带来了困难。笔者利用大魁有限元软件A N SY S 对几组蜂窝斌压弯钢构髂弯矩作用乎蕊内稳定承载力避行了分辑，褥爨了～些结论，为工程设诤褥供参考。
一、霄曩元分析攥楚
根据阑外‘些有芙试验资料与有限元理论分析的结果进行比较两者吻合较好，碳究表明应用肖限元对钢构佟进行分析贝露可行性。因此，笔者采惩大鍪鸯蔽元势氍较移A N S Y S 建立了有疆茏努耩模型，采弱三缨8苓煮SO LI D 45安体单元进行嗍格划分，每个节点上有6个自由度，x 、y 、z 三个方向的位移，以及绕x 、y 、z 三轴的转动(3]。为突出孔洞构造对蜂窝构件受力性能的影响，建模时忽略了焊缝鄢焊接残余废力的影蟾。镪树为Q 235钢，分耩辩麓话为理想戆弹鎏蛙挨型，采薅Von M i s es 疆骚醒戮及蔟糖关夔流动法则e 4】。材料为备项同型，弹性模量为2．06×105M pa ，泊松比为0．3，屈服强度为235M pa 。加载方式采用端部集中力轴向加载，因此，模型构件的。端采用固定铰赢座，加载端莱用滑动铰支缝，崮定铰支座通过约素蜂窝狡移漩蘸燕载轰戆黠称点x 、y 、z 三令方囱鹣线建移来实瑰，澄魂铰支座端只怒不约束加载点z 方向的线位移，其他约柬情况同固定铰文座；为防止构件发生弯矩作用平面外位移，程模型长方向的两个1／3处分别设置了侧向支撑，通过约柬构件在这两处冀缘单元所有节点x 方向的线位移来实现。兔貔囊蜂窝构终在簇孛力蕊载豢楚发生是部弼蘩，在模銎穗壤缮设了强度较大的铺板，集中力作用在钢板上，再传递给拇侔。
分析对象为两组，第一组是扩张前原H 型钢(型号为H 100×100x6×8) 与按扩张比为1．5进行扩张后的正六边形孔蜂窝构件进行对比{第二组是长瘦_秘藏嚣摇强，实羧擒纷竣及不阏拜琵率豹援六边形弦蜂鬻构转之翔的对比
歼旄率分剐为30％、50％、70％，开孑L 率为碟六边形孔上下边缘之阊
的距离(涧u 高度) 与构件截面高度的比值。
二、攥曲变形
蜂窝稳传是。转黢裁多强戆交馥嚣镄稳转，箕巍力移交形谤舞，一壹是材瓣力学滩以解决的问题。受腹板开孔的影嗡，蜂窝构件横截黼应力分布与实腹构件是不同的，孔洞的存在使某些部位存在严重的应力集中，其受力机理小符合传统的弯曲理论。
在一般雯疆式钢季奄羚孛，剪力匏挠夔变形熬影璃是缳，l 、豹，疆敦忽珞不诗。对于蜂窝构件由于高跨比较大；同时腹板不连续且面积粼弱较多，因而剪力引起的挠曲变形就绝对不能忽视。蜂窝构件的挠曲变形由弯矩、剪力和次驽矩等引起的三项挠度所组成C 5]，即
F 慧=f M +f V +f C M
(i)
式巾：f 总蜂窝鬃总的挠癌变形：
删一弯矩引起的挠曲变形；
f v —～剪力引起的挠曲变形；
f C li l ----势力次弯蜒萼l 起熬挠麴交澎。
回
剪力和剪力次弯矩对构件产生的挠度，占总挠度的比例分别与荷载形式、构件的扩张比、高跨比、开孔形式及开孔率有关。在荷载的作用下，剪力和剪力次弯矩产生的挠度占总挠躞的比例也会增大。剪力次鸯矩对每个蜂窝琵擎元；}莛鹃挠琰变形，燕鑫耩藏蘑在赘力髂塌下懿弯蘧变形帮墩截面转动变形叠加而成的+当孔的周阑出现塑性区域时，构件挠度明显增加，挠度一荷载关系为曲线。
三、煮纛元计羹绩鬃凝分辑
(一) 扩张藏实疆蔽≮扩张后蜂窝式篷夸{每释窍雅作餍平蠢内檄黻承载力的比较。有限元计算结果见下表1。
表1蜂窝式压弯构件与扩张前寅髓式压弯构件檄限承载力比较
扩张翦
扩强后有限』￡结袋掏释长壤
扩张翦藏
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《106N 》
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由表巾可以看出，相同长度蜂窝式压弯构件比扩张前实腹式骶弯构件发生平蔼内失稳的极限承馘力有很大的提高。丽且长绷比越大，掇燕的幅疫越大。这群在绦证安全逶用懿蘸疆下，簸蒂鳕镶耱熬旁凌毒发，褒结构
设计中宜选用蜂窝式构件。
(二) 在长度和截耐相同的情况下，实腹构件匈不同开孔率的蜂窝构件之闯的对比。
慰长缨跑分裂为40黼耪100m 熬嚣缀实簇式悉耷稳势纛具鸯籀弱长度，截面的蜂窝式压弯构件施以弯矩作掰平面内，偏-b 矩为50m m 的轴向作用力。经过有限元软件模拟计算，得到构件发生平面内失稳破坏的衙载一位移圈。见圈1、圈2。
图1九=40荷载一位移图图2九=loo 荷载一位移豳
鑫强t 、夔2可班看出，对于褶周长发蜂窝式压驽橡转，疆簧嚣魏搴熬逐渐增大，构件发生平藤漆失稳豹辍隈承载力逐渐下降，且援限承栽力下降曲线趋势熬本一致。
随着构件长细比的增犬，荷载一位移曲线逐渐串满，这是因为随着长绸毙兹增热，蜂窝式疆弯拣锫破坏时变彩越来越大。长细逆较小辩，蜂窝式压弯构件较限承载力下簿趋势较瞬藏，谎明极限承载力受到开张羽影睛较大。随着长细比的增大，极限承载力“F 降趋势越来越弱，说明随漪长细比的增大，汗孔对构件极限承载力的影响较小。这越因为当构件长细比较
(下转蘩14虿)