格构轻钢刚架梁试验和有限元建模方法研究_高辉.pdfVIP

钢结构工程研究⑨ 《钢结构》2012 增刊 格构轻钢刚架梁试验及有限元 建模方法研究 高辉 王小平 邹吉文 聂紫龙 （武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070 ） 提 要：介绍了刚架梁承载力试验装置及试验方法，得到了 3 根刚架梁在竖向集中荷载作用下的极限承载 力和破坏模态。采用 ABAQUS 有限元软件，采用 7 种方法建立了试验刚架梁的有限元计算模型，得出每 种模型的极限承载力和破坏模态，并与试验结果进行比较。在此基础上，得到了刚架梁合适的有限元建模 方法。本文为类似结构的理论分析提供参考，也为工程设计人员的设计提供方便。 关键词：刚架梁；极限承载力；试验；有限元；建模方法 近年来，随着我国经济的不断发展和国家建设的不断完善，环保、节能、舒适、安全 的轻钢龙骨结构住宅逐渐被广大民众所接受。一大批学者积极研究轻钢龙骨结构的相关性 能和设计方法[1-6] 。轻钢龙骨住宅的结构主体与框架等传统结构的集中受载不同，其主要特 点是分散承载，因此这种结构中看不到大型的梁柱等构件。其主要做法是用自攻螺丝将结 构板和轻钢龙骨结合成一个共同承受荷载的整体。本文中涉及的试验刚架梁是格构轻钢龙 骨体系中的一种梁截面[7-8] 。试验刚架梁由标准连接件和上下弦热镀锌冷弯方（矩）钢管通 过自攻螺丝连接而成。刚架梁长 5m，上弦杆为□60 ×40 ×1.2mm 矩形钢管，下弦杆是□40 ×0.8mm 方形钢管。标准连接件为冲压成形的 I 型中撑，厚度 1.5mm。本文对这种特定尺 寸的刚架梁进行承载力试验，得出其极限承载力和各级荷载作用下的位移。对这种特定尺 寸的试验刚架梁进行 ABAQUS 有限元建模分析。而建模方法是有限元分析结果是否合理的 关键。文中共采用 7 种不同简化方法进行有限元建模分析，并与试验结果进行比较，找出 适合格构轻钢刚架梁的有限元分析建模方法，为类似的理论分析提供参考，也为工程设计 提供理论依据。 1.格构轻钢刚架梁试验 1）试件 刚架梁试件共计 3 个，具体尺寸如图 1。 图1 5m 小刚架梁尺寸图 469 钢结构工程研究⑨ 《钢结构》2012 增刊 2） 试验加载和支座 试验采用人工悬挂吊篮加载，吊篮及钢丝绳自重为第一级加载。在吊篮中逐级放置铁 砖。为模拟铰接支座，梁两端上弦钢管直接置于焊接在钢板上的圆钢筋上，钢板放置在特 定高度的矩形混凝土柱上。为防止梁侧向失稳，在其侧向 1/3 处布置侧向支撑( 图2 、3) 。 图2 试验加载示意图 图3 试验加载现场照片 3） 试验结果 表 1 为 3 个试验刚架梁的极限承载力和跨中位移。图 4 为刚架梁荷载-跨中挠度曲线。 表1 刚架梁的极限承载力和位移 图4 试验刚架梁荷载-跨中挠度曲线 根据试验结果，刚架梁的破坏模态为构件发生平面外弯扭失稳。具体过程为：当荷载 级别较小时，试验刚架梁主要在平面内发生竖向变形；当荷载变大时，梁上弦钢管出现侧 470 钢结构工程研究⑨ 《钢结构》2012 增刊 向弯曲，且弯曲的程度随着荷载级别增加。当荷载达到极限值时，刚架梁发生突然地侧向 失稳。 图5 刚架梁现场破坏试验照片 2.有限元建模方法 1） 材料及本构模型 试验刚架梁