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蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响.pdf
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1、建筑结构JIANZHUJIEGOU洪绍正:蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响 工程与建设 年第 卷第期收稿日期:;修改日期:作者简介:洪绍正(),男,安徽马鞍山人,硕士蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响洪绍正 长江精工钢结构股份(集团)有限公司,安徽 六安 摘要:现有的在役钢结构受腐蚀的影响,腐蚀包括均匀腐蚀和不均匀腐蚀,而实际工程中,的腐蚀事故由不均匀腐蚀引起.文章通过有限元研究蚀坑直径、深度于H型钢梁上下翼缘及腹板处,对H型钢梁抗弯承载力的影响,并对比了现有理论,包括圆锥体积等值面、最小厚度理论、有效厚度理论,其中有效厚度理论与实际情况最为接近.由于梁蚀坑之间的相互影响,其抗弯承载力并非由最小横截
2、面决定,并提出基于蚀坑深度及直径的蚀坑相互影响系数,能显著降低误差.关键词:腐蚀;蚀坑;H型钢梁;有限元中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言近年来,钢结构建筑在新建建筑所占比例呈增大趋势,住房和城乡建设部提出大力发展钢结构建筑,鼓励医院、学校等公共建筑优先采用钢结构.钢结构具有强度高、施工周期短、自重轻等优势,然而,其耐火性能及抗腐蚀性能差,腐蚀导致的工程事故也屡见不鲜.武临亚等对工业钢桁架腐蚀事故进行分析,由于生产的特殊性加上长年受雨水侵蚀,导致桁架节点板及其附近角钢严重锈蚀,造成了桁架承载力不足.朱文等对湖北省鄂西地区的白洋长江大桥进行研究,该桥为钢结构悬索桥,在其服役 年里
3、,长期暴露于大气中,受大气侵蚀,其弦杆截面面积损失,腹杆截面面积损失 ,导致结构 整体 应 力水 平增 加.年月,河南郑州某酒店温泉游泳馆顶棚意外坍塌,该顶棚采取网架结构,因长期受游泳池水汽浸润发生腐蚀,致使结构发生破坏.长期以来,研究人员注重新建钢结构的设计理论和方法,而忽略其使用过程中的损伤机理,近些年,学者逐渐对腐蚀后钢材的力学性能进行研究 ,其中以不均匀腐蚀最为复杂,孔蚀作为不均匀腐蚀的一种,一旦形成,腐蚀速率快而隐蔽性又强.T a t s u r oN a k a i等,研究蚀坑对H型钢梁抗拉强度及屈曲的影响,结果表明,点蚀引起的钢材厚度损失导致钢材的抗拉强度急剧下降,且同等条件下点
4、蚀引起的平均厚度损失要比均匀锈蚀的危害性更大,并通过人工打孔的方式模拟蚀坑的分布、密度、大小对受弯构件极限强度及稳定性的影响.白烨 对自然腐蚀下的槽钢进行四分点加载试验,并通过AN S Y S对均匀和不均匀锈蚀情况下的槽钢进行理论分析,结果表明,自然状态下,均匀锈蚀占主导,并提出用“圆锥体积等值面”估算蚀坑构件的承载力.武萍等,通过对自然锈蚀的槽钢梁进行试验研究,基于锈蚀率(质量损失率)提出锈蚀后槽钢梁的承载力及挠度计算公式.秦广冲等,采用AN S Y S对单调拉伸下的腐蚀试件进行模拟,通过改变半椭球体蚀坑的长度、宽度、深度研究应力集中系数,建立了应力集中系数与蚀坑半椭球体之间的计算模型.潘典
5、书 采用四点加载方式对锈蚀H型钢梁进行受弯承载性能试验,结果表明,随着锈蚀程度增大,梁的极限承载力逐渐降低,并提出了锈蚀H型钢梁受弯承载力退化模型.目前,腐蚀后钢材的力学性能已有较多的研究,但对于腐蚀后构件的承载力研究,尤其是构件承载力与锈蚀形态之间的定量关系尚未涉及.本文通过有限元,对H型钢梁进行人工挖孔,研究蚀坑直径及深度变化对H型钢梁抗弯承载力的影响.有限元分析 有限元模拟验证为了验证有限元A B AQU S对受弯构件模拟的可靠性,选取了文献 的模拟结果,并与本文的模拟方法进行对比验证.文献 使用AN S Y S对号槽钢进行受弯模拟,槽钢全长 mm,并在梁的三分点及支座处设置垫板及加劲肋
6、,以防加载点局部变形及失稳,材料的屈服强度为 MP a,抗拉强度为 MP a.施加荷载时,先建立参考点,将参考点与实际受荷区域及支座约束区域耦合,分两步施加荷载,第一步施加约k N的力,第二步施加 k N的力,避免出现大变形导致结果不收敛,支座按简支梁约束.网格划分大小为,纯受弯段区域网格进行加密,网格大小为,单元类型为八结点线性六面体单元C D R.最终,模型受力分析结果如图所示.从图可以看出,对于纯弯段,槽钢的翼缘已屈服,而在腹板位于中和轴附近的区域依然为弹性状态,这符合纯弯段梁受力的基本特征.当继续加大荷载时,弹性区域消失,梁进入全截面塑性,达到极限抗弯承载能力,其荷载跨中挠度曲线对比如
7、图所示.洪绍正:蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 图槽钢有限元模型图荷载跨中挠度曲线对比从图可以看出,本文的模拟曲线与文献 的基本相似,说明对于梁的受弯模拟,本文采取的方法是可靠的.对H型钢梁进行受弯模拟,hbtwtf截面尺寸为H ,材质为Q B,梁的总长度为 m,中间纯弯段为 m,如图所示.由于H型钢梁几何尺寸及荷载约束都关于弱轴y轴对称,可采取一半建模;由于真实的蚀坑复杂多样,包括椭圆形、圆锥形及半球形等,且随机性强,文献,指出圆锥体蚀坑普遍存在,且建模直观方便,所以,蚀坑采用 圆 锥 体,翼 缘 蚀 坑 间 距 为 mm,腹 板
8、蚀 坑 间 距 为 mm,如图、图所示.图H型钢梁模型尺寸(单位:mm)图翼缘蚀坑分布模型(单位:mm)分析过程中,为了快速建模,省去了加劲肋,且H型钢梁达到极限抗弯承载力之前未出现翼缘屈曲或梁面外失稳,有限元模型分析如图所示.此外,根据式()可计算出未锈蚀H型钢梁的极限弯矩Mp,即全截面屈服,将有限元与理论公式图腹板蚀坑分布模型(单位:mm)得到的极限弯矩进行对比验证,误差为 ,进一步说明模型的可靠性.Mpb tf(htf)y(htf)twy()表极限弯矩对比理论公式计算结果/(k Nm)有限元计算结果/(k Nm)误差/图H型钢梁有限元模型 参数分析在模型可靠的基础上,进一步研究蚀坑深度、
9、直径对H型钢梁抗弯承载力的影响.对于上翼缘、腹板及下翼缘,蚀坑的直径d都为mm、mm、mm,深度h为mm、mm、mm,具体见表.表试件几何参数及材料参数区域编号下翼缘L F J S L F J S L F J S L F J S L F J S L F J S L F J S L F J S L F J S 上翼缘U F J S U F J S U F J S U F J S U F J S U F J S U F J S U F J S U F J S 腹板W J S W J S W J S W J S W J S W J S W J S W J S W J S 注:“L F”表示下翼缘,“
10、U F”表示上翼缘,“W”表示腹板,“J”表示蚀坑直径,“S”表示蚀坑深度.J及S后位的数字表示直径和深度具体数值.建筑结构JIANZHUJIEGOU洪绍正:蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响 工程与建设 年第 卷第期经有限元分析后,得出蚀坑直径、深度与极限弯矩变化规律如图所示.图H型钢梁蚀坑直径及参数分析从图可以看出,对于蚀坑的直径,随着蚀坑直径的增大,梁的极限弯矩呈下降趋势且为非线性,并且随着锈蚀深度的增加,下降幅度逐渐增大;同理,对于蚀坑的深度符合相同的规律.此外,梁的上下翼缘蚀坑直径及深度的变化对其抗弯承载力基本相同,而腹板的影响则非常有限,这主要由于对于腹板高度不高的梁,弯矩由翼缘承担,
11、剪力由腹板承担.综上所述,后面针对下翼缘腐蚀对H型钢梁抗弯承载力的影响进行分析.蚀 坑H型 钢 梁 极 限 抗 弯 承 载 力 模 型 计算分析现有的研究大部分是基于失重率或质量损失率,以此衡量锈蚀程度,然而采取质量损失率无法体现出局部损伤,如当某一局部截面面积损失严重,该截面的承载力由最小横截面面积决定,所以,对于不均匀锈蚀,质量损失率将无法准确地预测构件的承载能力.锈蚀钢梁的极限抗弯承载力为全截面屈服时所承受的弯矩,当H型梁未锈蚀时,中和轴位于中心,当梁翼缘锈蚀时,中和轴会远离翼缘被锈蚀的一侧,以满足力的平衡.通过对锈蚀H型钢梁最小截面面积计算得出锈蚀后梁的中和轴偏移原中和轴的距离,对于翼
12、缘如式()所示,对于腹板,因腹板对称锈蚀,所以中和轴位置不变.洪绍正:蚀坑对H型钢梁抗弯承载力的影响建筑结构JIANZHUJIEGOU 工程与建设 年第 卷第期 ydh(hwtf)b tfhwtwdh()式中:y为锈蚀后中和轴偏移原中和轴的距离,方向为远离翼缘被锈蚀的一侧;hw为腹板高度.最后,对锈蚀后的中和轴进行求矩,得出极限弯矩.白烨采用圆锥体积等值面估计锈蚀槽钢受弯承载力,并与最小厚度理论及有效厚度理论计算的结果进行对比,结果表明,圆锥体积等值面计算结果与模拟结果匹配较好,也是偏于安全的,然而,其计算的承载力是基于锈蚀后最小横截面面积,严格来说,其采用的体积等值面应为面积等值线;体积等值
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