单角钢不同初始缺陷对极限承载力的影响研究

2015-06-06高林涛张伟卢成志林骞张南

综合智慧能源 2015年8期

关键词：角钢高强承载力

高林涛，张伟，卢成志，林骞，张南

（华电电力科学研究院，杭州 310030）

单角钢不同初始缺陷对极限承载力的影响研究

高林涛，张伟，卢成志，林骞，张南

（华电电力科学研究院，杭州 310030）

使用有限元分析软件ANSYS对Q460高强单角钢两端偏心压杆进行数值模拟分析，利用壳单元将模型采用有限元分析方法得出的极限承载力值与试验值进行对比。通过改变初始缺陷的比例值，分析初始缺陷对试验构件极限承载力的影响。结果表明，有限元分析值与试验值吻合很好，证明有限元分析结果是可靠的。

有限元分析；ANSYS；高强角钢；初始缺陷；极限承载力

0 引言

国内外很多学者已经对普通单角钢的受力特性进行了大量的理论及试验研究［2-11］，这促进了高强角钢的研究及其应用，并为其提供了大量的试验基础及理论依据。高强角钢的力学特性非常优越，并且具有建造适应性和经济性，这些优点令其在国外送电线路铁塔结构中得到了广泛运用［12］。本文利用ANSYS有限元软件对Q460高强角钢进行了建模和非线性分析，分析结果与试验结果吻合，同时通过改变初始缺陷的比例值，观察分析初始缺陷对试验构件极限承载力的影响。

1 试验模型

1.1 计算模型

依据构件在试验过程中的实际受力情况［13］，试验构件的计算模型如图1所示，T型连接板的2个Q345钢板通过焊接相连，T型连接板和角钢之间通过10.9级的高强度螺栓相连。试验构件的构造如图2所示。

1.2 试件型号尺寸

试件型号，L12508E30；总长，l＝l0+2l1＝794（mm），l1为T型板的实际厚度；T型连接板实际尺寸，300mm×235mm×22mm。

图1 计算模型

图2 试验构件构造

1.3 破坏依据

通过采用ANSYS有限元非线性分析，当位移-荷载曲线出现下降趋势时求解过程立即结束，此时试验构件已处于被破坏状态，这时候外部施加到构件的载荷就是极限载荷。

2 试件的有限元数值模拟分析

2.1 有限元模型

T型连接板和高强度螺栓可以看做是理想状态下的弹塑性材料，对Q460高强度单角钢而言需要考虑其钢材的强度硬化情况，全部钢材的弹性模量及泊松比分别取2.06×105MPa和0.3。由材料特性试验可以得到，L12508E30型号的高强度单角钢，其相应的屈服应力为530MPa。

基于VMI模式的供应链集成同样会带动信息流的整合，库存信息将不仅仅在生产站段内流动，还需要通过供应链向物资供应段、供应商传导；同样，供应商的生产供应计划也会通过供应链向物资供应段、生产站段流动。通过信息流的整合，物资供应段在向供应商提报需求计划时能够综合考虑现有库存和在途库存，通过调控生产需求计划保证生产站段库存容量及到货频率。物资供应段在调控生产需求计划的同时，要时刻关注并预测库存总量、库存资金占用的变化，以保证站段生产持续性为第一原则，少批量、多频率地向供应商提报生产需求计划。

利用ANSYS有限元软件对高强度单角钢试验构件进行非线性分析，通过三维实体建模，采用shell 181单元；高强度螺栓和角钢连接板之间的接触处，采用耦合节点的方法进行模拟传力，利用人工控制模型单元的办法将有限元模型进行相应的网格划分。对应的有限元模型如图3所示。

图3 角钢的有限元模型

2.2 有限元分析结果与试验结果比较

依据试验构件的计算模型，构件的两端进行固接连接，所以在试验构件的顶端位置加载x和y方向上的约束，在试验构件的底端加载x，y和z方向上的约束。垂直于高强单角钢肢的平面侧施加1／1000单角钢计算长度的初始缺陷，整个有限元分析过程由静力学求解、特征值求解及非线性求解3个步骤组成。依照高强单角钢一阶屈曲模态施加初始缺陷，单角钢的一阶屈曲模态如图4所示，经过非线性分析，试件变形后的应力云图如图5所示。

图4 一阶屈曲模态

图5 应力云图

不同长细比角钢在相同初始缺陷下的位移-载荷曲线如图6所示，不同长细比角钢的试验值见表1。

图6 位移-载荷曲线

表1 试件试验值kN

从整体上看，ANSYS有限元分析的结果和试件试验值比较吻合，对于小长细比的试验构件，试件试验值和有限元分析的结果非常接近，说明有限元分析结果是可靠的，可以利用有限元数值模拟的方法来分析试验构件的受力特性。

3 初始缺陷对试验构件极限承载力的影响

3.1 同一长细比角钢不同初始缺陷对试验构件极限承载力的影响

分别取角钢计算长度的1／1 000，2／1 000，3／1000，4／1 000，5／1 000，6／1 000，10／1 000以及无初始缺陷，计算得不同长细比角钢不同初始缺陷的位移-载荷变化曲线如图7～图10所示。

图7 L12508E30的位移-载荷曲线

从图中可以看出，对于一定长细比的角钢，随着初始缺陷的增大，角钢的极限承载力在减小，而且随着角钢长细比的变大，极限承载力减小的幅度越来越大。

图8 L12508E45的位移-载荷曲线

图9 L12508E60的位移-载荷曲线

图10 L12508E80的位移-载荷曲线

3.2 不同长细比角钢的不同初始缺陷对试验构件极限承载力的影响

图11是不同长细比角钢不同初始缺陷的极限承载力变化曲线（横坐标中‰代表初始缺陷是角钢长度的1／1000，基准值为角钢计算长度）。从图11中可以看出，随着初始缺陷的增加，不同长细比角钢的极限承载力在下降，并且下降趋势基本一致；对于小长细比角钢，在初始缺陷从0增加到10‰的过程中，极限承载力大幅度减小，中长细比的角钢次之，大长细比的角钢极限承载力减小的幅度最小，因此可以得出结论：小长细比的角钢构件对初始缺陷较为敏感。