0 引言

冷弯薄壁型钢是一种以冷轧或热轧带钢为原料，在常温下采用辊弯或冷拔成型等方法得到的各种断面形状的实用、经济高效型材[1]，由于其具有卓越的结构性能和延性而被广泛地运用于房屋建筑[2]。在实际工程中，常常在冷弯薄壁型钢结构构件的腹板进行开孔，开孔为管线的设置提供了方便，同时增加了建筑物楼层净高，减轻了结构自重。

腹板开孔势必影响构件的稳定性能[3]，具体表现在孔洞的开设会改变应力的分布；降低板件整体刚度；改变构件的屈曲模式等。国外学者Moen等[4]对腹板开孔的纯弯构件进行了试验研究，发现腹板开孔降低了试件的极限非线性曲折荷载，畸变屈曲往往起控制作用，但其研究中没有考虑局部屈曲或局部和畸变相关屈曲。国内学者对腹板开孔受弯构件的研究相对较少，王春刚等[5]对腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性进行了试验研究，但只对比了开孔与不开孔构件的稳定性，对开孔高度变化并没有进行深入研究。综上所述，本文通过对不同孔高比和不同卷边宽度的冷弯薄壁槽钢纯弯构件和非纯弯构件进行非线性有限元分析，探究两种受弯状态下构件非线性屈曲荷载的变化规律。

1 构件设计及有限元建模分析

1.1 构件截面形式

纯弯构件的长度为3720mm，非纯弯构件的长度为2520mm，研究区段长度均为L=1200mm。构件截面尺寸及编号规则如图1所示，具体尺寸为：腹板高度H为160mm，翼缘宽度B为80mm，卷边选取两种宽度d=20mm和40mm，板件厚度t=3.0mm，板件间的弯曲内径r=t，选取孔洞高度A=0.2H、0.4H、0.6H和0.8H即孔洞高度分别为32mm、64mm、96mm和128mm，孔洞宽度参照工业化标准[6]取Lh=101.6mm，孔洞位置如图2所示。

图1 构件截面及编号规则图

图2 腹板开孔构件示意图

1.2 有限元建模

选取ANSYS12.0中的SHELL181（壳单元）单元对构件、盖板和连接件进行模拟分析[7]。有限元建模时选取的钢材为Q345B级热轧钢板，钢板的屈服强度fy=345MPa，弹性模量E=2.06×105N/mm2,泊松比v=0.3。分析时取两个完全相同的构件组成一组，背靠背用工字钢荷载连接件和支座连接件连接。模拟时在支座连接件的底板上施加约束，一端模拟固定铰支座约束X、Y和Z方向的位移，一端模拟可转动铰支座约束X和Y方向的位移，其中X为平面外方向，Y方向为竖直方向，Z方向为构件的长度方向。为避免非研究区段对研究区段的影响，采用钢板与非研究区段两构件上翼缘连接，在有限元程序中，通过耦合处理来实现。有限元模型如图3所示。

1.3 有限元分析

有限元分析分两阶段进行，首先进行特征值分析，通过特征值分析建立构件可能的屈曲模态，而后根据可能的屈曲模态施加初始几何缺陷进行非线性分析，得到构件的非线性屈曲模式和非线性屈曲荷载。构件的残余应力和材料屈服强度提高对构件的非线性屈曲荷载有相反作用，二者可以相互抵消[8]，故在分析时不考虑残余应力的影响。

图3 有限元模型图

2 有限元计算结果分析

2.1 屈曲模式

从图6(a)中可以看出，卷边20mm和卷边40mm的纯弯构件非线性屈曲荷载均随孔高比的增加呈降低趋势，在孔高比为0～0.6的区间内非线性屈曲荷载降低的幅度较小，在孔高比为0.6～0.8的区间内非线性屈曲荷载下降趋势更加显著。从图6(b)可以看出，卷边20mm和卷边40mm的非纯弯构件非线性屈曲荷载在孔高比为0～0.6的区间里变化不大，孔高比超过0.6时，非线性屈曲荷载急剧下降。

当卷边为40mm时，纯弯构件在孔高比为0.2、0.4、0.6和0.8时均发生局部和畸变相关屈曲，如图5（a）所示。非纯弯构件在四种孔高比均发生了不同程度的以局部屈曲为主的局部与畸变的相关屈曲，如图5（b）所示。

Structure characteristics and cause analysis of catastrophic wind caused by super typhoon Meranti

表1给出了不同孔高比和不同卷边宽度的受弯构件在两种受弯状态下的非线性屈曲荷载的分析结果对比。从表中可以发现，当非纯弯构件非线性屈曲荷载M2较纯弯构件非线性屈曲荷载M1提高时，不同卷边宽度的构件提高幅度不同。

图4 卷边20 m m构件非线性屈曲变形图

图5 卷边40 m m构件非线性屈曲变形图

2.2 非线性屈曲荷载分析

2.2.1 孔高比对非线性屈曲荷载影响分析

图6所示为纯弯构件和非纯弯构件非线性屈曲荷载随孔高比的变化规律。

当卷边为20mm时，纯弯构件在孔高比为0.2、0.4、0.6和0.8时以畸变屈曲破坏为主，如图4（a）所示。非纯弯构件在孔高比为0.2、0.4和0.6时的破坏以畸变屈曲为主，如图4（b）所示，在孔高比为0.8时发生了局部和畸变的相关屈曲且以局部屈曲为主，如图4（c）所示。

1302主撤巷和3003措施巷掘进过程中，不同等级的状态预警结果所占比例如图5所示，由图5可知：1302主撤巷预警结果全部为“正常”，而3303措施巷非正常报警比例达60%，其中“威胁”的占34%，“危险”的占26%。对两工作面的预警结果进行比较可知，3303措施巷的突出危险性远大于1302主撤巷，与实际情况完全相符。

一是实施定额管理。制定广东省用水定额地方标准，将用水定额作为水资源论证、取水许可、计划用水管理等的重要依据。对不符合用水定额标准的取水申请，审批机关不得批准取水许可；对超定额用水的，严格执行累进水资源费和累进水价制度。强化取用水大户的用水总量控制和定额管理，对取水户依据用水定额实施计划用水，对超计划的进行用水限制和整改。加强企业执行用水定额的动态监测，例如广州、深圳和东莞等地开展了大量的企业水平衡测试工作。通过挖掘企业节水潜力，逐步降低单位产品取水量，促进企业技术升级，提高用水效率，例如茂名石化炼制1t原油2004年需用水1.6 m3，目前已下降到约 0.5 m3。

图6 构件非线性屈曲荷载随孔高比变化规律

2.2.2 受弯状态对非线性屈曲荷载影响分析

图7所示为卷边20mm和40mm的构件在两种受弯状态下非线性屈曲荷载的对比图。由图7可以看出，无论是卷边20mm还是卷边40mm，非纯弯对应的曲线总体上是在纯弯对应的曲线之上的，只在孔高比为0.8时，非纯弯构件的非线性屈曲荷载都低于纯弯构件的非线性屈曲荷载。

2016年的田间试验在肇庆市高要区金渡镇冲口村进行，试验地常年种植蔬菜，土壤为河流冲积土，肥力较好，有机质含量2.87%，pH值5.9，灌溉条施件好，历年黄瓜灰霉病发生较重；2017年的田间试验在肇庆市高要区蚬岗镇富佛村进行，试验地常年种植蔬菜，土壤为河流冲积土，肥力较好，有机质含量2.82%，pH值5.8，灌溉条施件好，历年黄瓜灰霉病发生较重。

图7 不同受弯状态下构件非线性屈曲荷载对比

表1 构件在两种受弯状态下非线性屈曲荷载的对比

注：M1为纯弯构件非线性屈曲荷载，M2为非纯弯构件非线性屈曲荷载

×100%/%H160B80d20t3.018.0121.3018.27 A32H160B80d20t3.017.5121.3021.64 A64H160B80d20t3.016.5421.1527.87 A96H160B80d20t3.016.0921.3232.50 A128H160B80d20t3.013.9713.20 -5.51 H160B80d40t3.021.4622.936.85构件编号 M1/（kN·m）M2 M2－M1 M1/（kN·m）A32H160B80d40t3.021.3222.977.74 A64H160B80d40t3.020.9022.849.28 A96H160B80d40t3.019.8622.7814.70 A128H160B80d40t3.017.7615.61 -12.11

卷边20mm的构件提高幅度为18.27%～32.50%，卷边40mm的构件提高幅度为6.85%～14.70%。究其原因，屈曲模式是影响这一分析结果的重要因素。众所周知，梯度弯矩对畸变屈曲的影响较大，对局部屈曲的影响较小。卷边宽度为20mm时，卷边对翼缘的约束作用较小，构件易发生畸变屈曲。卷边宽度为40mm时，卷边对翼缘的约束作用较大，构件易发生局部屈曲。因此当非纯弯构件非线性屈曲荷载大于纯弯构件非线性屈曲荷载时，卷边20mm的构件非线性屈曲荷载提高幅度大于卷边为40mm的构件。

3 结语

通过对不同孔高比和不同卷边宽度的腹板开孔冷弯薄壁槽钢纯弯和非纯弯构件进行有限元分析，得出以下结论：

（1）当孔高比小于0.6时，纯弯构件和非纯弯构件的非线性屈曲荷载变化幅度相对较小；当孔高比大于0.6时，纯弯构件和非纯弯构件的非线性屈曲荷载有急剧下降的趋势。

（2）在一定孔高比范围内，非纯弯构件非线性屈曲荷载大于纯弯构件的非线性屈曲荷载。当非纯弯构件非线性屈曲荷载大于纯弯构件非线性屈曲荷载时，卷边为20mm的构件非线性屈曲荷载提高幅度大于卷边为40mm的构件。

参考文献

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[2]钟国辉.冷弯薄壁型钢在房屋建筑中的研究与发展[J].建筑钢结构进展,2002,4（4）:31-38.

[3]Shanmugam N.Openings in Thin-walled Steel Structures[J].Thinwalled Structures,1997,28（3）:355-372.

[4]MoenCD,SchudlichA,VonderheydenA.ExperimentsonCold-formed Steel C-section Joists with Unstiffened Web Holes[J].Journal of StructuralEngineering-asce,2013,139（5）:695-704.

[5]王春刚,梁润嘉,张壮南,等.腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性试验研究[J].建筑结构学报,2014,35（4）:125-134.

[6]Moen CD,Schafer BW.Experiments on Cold-formed Steel Columns with Holes[J].Thin-walled Structures,2008,46（10）:1164-1182.

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[8]Dubina D,Ungureanu V.EffectofImperfectionsonNumericalSimulation of Instability Behaviour of Cold-formed Steel Members[J].Thin-walled Structures,2002,40（3）:239-240.