谷睿鹏 李清扬

（河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056107）

0 引言

单向压弯构件通常绕截面强轴弯曲，若不设置侧向支点，构件往往在达到平面内失稳的极限荷载之前，发生侧向弯曲和扭转而丧失承载力，即弯矩作用平面外整体失稳。研究表明，与平腹板工形构件相比，波纹腹板工形构件的面外刚度与扭转刚度大大提高，能有效地提高弯矩作用平面外稳定承载力[1]；多钢种混用工形构件翼缘的强度高于腹板，可充分发挥翼缘抵抗弯矩和轴心力，承受轴向应力的优势。由于波纹腹板构件轴向应力完全由翼缘承担，故翼缘高强化的多钢种混用波纹腹板构件，可大大提高翼缘抵抗轴向应力的能力。腹板波折化，翼缘高强化，实现“强强联合”。

鉴于国内外对波纹腹板及多钢种混用在压弯构件中的应用研究较少，本文结合二者优势，翼缘采用较高强度钢材，腹板采用Q235 钢材并使其波折化，提出多钢种混用波纹腹板压弯构件，研究承载力及用钢量的优势，为后续研究提供参考。

1 几何模型

利用ABAQUS 有限元软件分别对单钢种平腹板、单钢种波纹腹板和多钢种混用波纹腹板压弯构件建模，编号为A、B、C，波纹腹板构件如图1 所示。设置三组模型部分参数相同：翼缘宽度bf=150mm，翼缘厚度tf=10mm，腹板高度hw=320mm；为防止模型A丧失整体稳定前发生局部失稳，同时为方便比较，故在三组模型的两端及跨中均设置加劲肋，加劲肋宽度同翼缘，高度同腹板，构件长度L=4m，根据《钢结构工程施工质量验收标准》GB50205-2020 相关规定[2]，对于钢柱的外形尺寸允许偏差，柱身弯曲矢高初始缺陷不得大于构件长度的1/1200，且不得大于12mm。本文选择L/1200 初弯曲作为构件的初始缺陷。波纹腹板波形采用《波纹腹板钢结构技术规程》（CECS 291-2011）中推荐波形1[3]，如图2所示。

图1 波纹腹板构件示意图

图2 《波纹腹板钢结构技术规程》推荐波形1

2 材料特性、网格划分及荷载边界条件

本文模型均为两端简支的压弯构件，采用双折线强化本构关系，进行非线性屈曲分析。弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比ν=0.3，钢材切线模量取0.01E。模型各构件均选用S4R 单元，网格划分时综合考虑精度及运算时间要求，选取网格种子尺寸为20mm。

为避免对单一节点加载而造成应力集中，在构件两端截面的中心点处分别建立参考点作为边界约束控制点，然后将构件两端截面的6个自由度全部耦合到控制点上，两控制点M、N 的边界条件分别设置为U2=U3=UR1 及U1=U2=U3=UR1；对边界条件控制点M 处沿X 方向以及构件上翼缘跨中处沿Y 方向分别施加轴向荷载与横向荷载，二者比值始终保持为1：1，并沿构件上翼缘跨度方向150mm，宽度方向200mm 所组成的长方形区域进行结点耦合，耦合后形成的刚性面可以让集中的应力分配到各从节点上，从而有效避免应力集中引起的构件局部破坏。

3 多钢种混用波纹腹板压弯构件在整稳承载力及用钢量上的优势

对单钢种平腹板和单钢种及多钢种波纹腹板压弯构件进行分析；为满足《钢结构设计标准》[4]中关于腹板高厚比（小于80εk）的要求，设置单钢种平腹板构件的腹板厚度为4mm；由于波纹腹板能远超平腹板高厚比限值而不发生局部失稳（高厚比可达600），故将单钢种及多钢种波纹腹板构件腹板厚度均设置为2mm，以下为三种模型的比较，如表1所示。

表1 三种构件的承载力及用钢量比较

由表1 可知，单钢种波纹腹板与单钢种平腹板压弯构件在承载力几乎相同的情况下，能减少11.06%的用钢量，说明将腹板波折化后，在保证承载能力不变的情况下可以节约一定量的钢材；由于不同强度等级的钢材密度变化不大，故认为单钢种与多钢种波纹腹板构件用钢量保持一致。尽管高强度钢材在造价方面更高，但将翼缘钢材由Q235 提升至Q355 后承载能力提升了27.12%，效果十分显著，说明将翼缘高强化能极大地提升波纹腹板压弯构件的承载能力。

4 结论

综合考虑受力性能良好的波纹腹板构件和多钢种混用构件，提出一种新型的多钢种混用波纹腹板压弯构件，得出以下结论：

(1)将普通单钢种平腹板压弯构件的腹板改用波折化的压型钢板，可降低一定的用钢量。

(2)将单钢种波纹腹板压弯构件的翼缘改用高强度钢材，可有效地提升其承载力。

(3)多钢种混用波纹腹板压弯构件相较于单钢种的平腹板及波纹腹板压弯构件，在承载能力及用钢量方面均有更好的表现。