韦 娜 赵金友 陈天威 杨守一 祝怡晴

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

近年来随着鸟巢、上海中心大厦和深圳平安金融中心等[1]一批跨度大、层数高的大体量建筑拔地而起，结构受力以及建筑体型趋于复杂的同时也推动了高强度钢材在建筑中的应用。与普通强度钢材相比，高强度钢材在节省建筑材料、提高结构抗震性能方面具有很大优势[2]，目前国内外学者已经开展了一系列屈服强度不低于460 MPa钢材受压、受弯构件整体稳定性能研究，并给出了相应的建议设计方法[2,3]。为了研究高强度钢材受弯构件和普通强度钢材受弯构件整体稳定性能的差异，本文对屈服强度为235 MPa,345 MPa和460 MPa的钢梁进行考虑残余应力和不考虑残余应力的有限元分析，探究残余应力和钢材强度的变化对钢梁整体稳定性能的影响。

1 有限元模型

利用ANSYS有限元软件建立钢梁的有限元模型，采用Shell181壳单元模拟钢梁，钢材本构关系弹性模量E=2.06×105MPa，切线模量取为弹性模量的2%，泊松比υ=0.3，网格大小约为25 mm，边界条件约束梁端左侧截面上所有节点的竖向和平面外位移，并约束形心处轴向位移，梁端右侧同样约束截面上所有节点的竖向和平面外位移，荷载形式为跨中作用一个集中荷载。模型计算简图及有限元模型如图1所示。首先对模型进行特征值屈曲分析，将特征值屈曲分析得到的构件一阶屈曲模态施加1/1 000的变形作为构件的初弯曲，再引入残余应力进行非线性分析。

为了验证有限元模型的正确性，选取文献[4]中Q460钢H形截面简支梁整体稳定试验数据对有限元模型进行校核，试验中工字形截面尺寸H×B×tw×tf为270 mm×180 mm×8 mm×10 mm，荷载形式为跨中作用一个集中荷载。有限元分析结果与试验结果对比情况见表1，除A2试件误差较大外其余试件误差均在5%范围内，表明本文建立的有限元模型较为正确，可用于后续有限元分析中。

表1 有限元模拟结果与文献[4]Q460GJ钢H形截面梁承载力试验结果对比

2 有限元分析

2.1 残余应力的影响

焊接残余应力作为一种初始缺陷是影响钢梁整体稳定性能的重要因素，为了研究残余应力对于钢梁整体稳定性能的影响，选取截面尺寸H×B×tw×tf为350 mm×175 mm×8 mm×10 mm，跨度分别为2 m，2.5 m，3 m，3.5 m和4 m的钢梁进行有限元分析。在模拟残余应力时，屈服强度为460 MPa的钢梁采用文献[4]提出的Q460高强钢残余应力分布模型，屈服强度为235 MPa和345 MPa的钢梁采用传统残余应力分布模型[5]，具体分布情况如图2所示。

2.2 钢材强度的影响

图4所示为考虑残余应力时三种钢材强度钢梁的整体稳定系数对比情况，屈服强度为345 MPa比屈服强度为235 MPa的钢梁整体稳定系数最大提高25.38%，屈服强度为460 MPa比屈服强度为345 MPa的钢梁整体稳定系数最大提高17.58%，表明钢梁整体稳定系数随着钢材强度的提高而增大，但增大程度随强度的提高而减小。

3 结语

1)通过与已有试验对比，证明了本文有限元模型建立方法的正确性，表明在分析钢梁整体稳定承载力时，利用本文所建立的有限元模型可以得到较为精确的结果。

2)残余应力的存在会降低钢梁的整体稳定承载力，但其对钢梁整体稳定性能的影响程度随着钢材强度的提高而减小。

3)随着钢材强度的提升，钢梁整体稳定承载力随之增大，但增高幅度随着钢材强度的提高而逐渐减小。