铝合金梁中腹板剪切屈曲设计的有限元分析

陈希湘,朱嵘涛,何 康

(1.长江大学工程技术学院,湖北 荆州 434020；2.长江大学城市建设学院,湖北 荆州 434000)

1 引言

铝合金梁的设计类似于钢梁,可以通过相对较薄的腹板来减少材料的用量。剪力作用下,腹板可能会产生局部屈曲的现象,影响了铝合金梁的承载能力。铝合金的弹性模量只有钢材的三分之一,失稳的问题比较严重。在实际设计中要考虑到铝合金腹板的稳定性。因此通过有限元法计算铝合金梁腹板剪切屈曲的承载能力,得到铝合金梁的设计思路。这样就公式变得简单清晰,也相对接近了铝合金的特性,从而应用也变得广泛起来。

2 数值模型

图1 有限元的模型

利用有限元方法进行计算的时候,要考虑到板件面内受弯稳定性,铝合金爱了系数和板件约束条件等几个重要的参数都会对稳定性带来影响。板件受压的宽度和板件本身宽度的比值是η,这个比值的计算方式是按照屈曲前的应力分布,公式是η=hc/h,h是腹板的宽,hc代表的是腹板受压部分的宽,有限元的模型如图1所示。

表1 有限元计算参数

表1中有50种的参数组合情况,用有限元法计算。相同参数的板件要考虑到它们的宽厚比,一计算出承载能力随着板厚度的改变。同一板件要分析它的临界荷载以及极限荷载值。

3 钢结构规范的设计方案

全铝合金模板工艺制作简单,拼装迅速,缩短了工期,加快了施工进程。第二,模板体系中使用了早拆设计的方式,使得模板的周转次数大幅增加[1]。

我国钢结构规范对梁腹板受弯屈曲设计中采用允许应力法,把板件破坏分为屈服、弹性屈曲和塑形屈曲3中状态,按照板件的受破坏程度进行求出允许应力。我国在钢结构规范处理薄板稳定承载时并没考虑到板的屈曲后强度。当没有考虑后屈曲强度可以防止板件屈曲发生较大的形变,在视觉上可以满足要求。后屈曲强度可以使构件板厚较小,经济上能节俭成本。

设计方案中,公式依照钢机构设计规范公式确定形式,公式中的参数作出了相应修改,满足了结构设计的需求,系数修改是参照有限元计算结果进行的,有充足的依据。表一中没有给出n值,用强屈比fu/f0.2进行表示。其中fu采用材料应变为0.15的应力值。n和强屈比的关系如表2。

表2 n和强屈比fu/f0.2的关系

3.1 不考虑后屈曲强度

当不考虑板件后屈曲强度时,设计方法可以表述成：λb≤s1时,ρ=1；

当s1〈λb≤s2时,ρ=1-0.75λb-s1

(1)

其中λb为腹板受弯计算时的通用高和厚的比。

薄壁梁受压翼缘扭转约束时：

λb=2hctw115f0.2200

(3)

未受约束时：λb=2hctw90f0.2200

(4)

其中hc代表腹板受压部分的高,s2表示弹性屈曲和塑形屈曲的分界点,s2=fu/f0.2,其值小于或等于1.5；s1是屈服和塑形屈服分界,s1=1.8-0.8s2,以上方法计算得出的结果好有限元进行对比。

3.2 考虑后屈曲强度时候

发生弹性屈曲的板件,屈曲后强度仍然很强,如果能对这些板件加以回收利用,则能节省不少的经济成本。建议公式的计算结果相对而言准确一些,只有个别构件存在的误差较大。

薄壁梁厚度非常小时,它的临界屈曲强度随之减小,后屈曲强度反而增大,强度值很高。因此在研究铝合金屈曲强度时要从多方面入手,这样能更好的把握铝合金的材质特点,减小经济开支,充分实现铝合金结构的功能妙用。

总而言之,在用有限元方式计算作为基础,充分考虑到材料性质、板件宽厚程度、和外界约束条件的干扰,这样才能全面分析铝合金板件在面内弯矩下的承载力度。设计方法是结合我国钢结构规定中的内容为标准[2]。依照铝合金特殊性质对一些公司进行具体更改。设计中充分考虑到了板件间的约束作用,所以计算结果与有限元计算差别不大。另外铝合金薄壁梁有着很好的屈曲后强度,应对此加以重新利用。

[1]林凡.浅析铝合金模板在高层建筑施工中的应用[J].江西建材,2015(9)：55-56．

[2]石永久,程明,王元清.铝合金梁中腹板剪切屈曲的设计方法[J].清华大学学报：自然科学版,2008,48(6)：918-921．