腹板开孔冷弯薄壁C型钢纯弯构件直接强度法研究

徐锋锋

(广东理工学院，广东肇庆 526100)

徐锋锋

(广东理工学院，广东肇庆 526100)

直接强度法(DSM)是冷弯薄壁型钢稳定设计的主要方法，这种方法对腹板未开孔构件设计可行性强，但是对于腹板开孔构件的适用性还不得而知。选取一定参数的纯弯开孔构件进行了有限元分析，分析表明：纯弯构件发生畸变屈曲的DSM公式在孔高比为0.2,0.4,0.6和0.8下均需要进行修正，并给出了修正公式。

直接强度法，有限元，冷弯薄壁C型钢，腹板开孔

0 引言

目前，冷弯薄壁型钢构件设计方法主要有两种方法：有效截面法和直接强度法[1]。有效截面法计算过程非常复杂，并且只是针对构件发生局部屈曲的情况下才能应用。对于发生畸变屈曲的构件，有效截面法日渐式微。直接强度法(Direct Strength Method，简称DSM)是Schafer和Peköz于1998年在冷弯薄壁型钢受弯构件试验数据基础上提出的一种新的冷弯薄壁型钢构件设计方法。这是一种非常实用并且有着广阔发展前景的冷弯薄壁型钢构件承载力设计方法。但是直接强度法的提出和适用是针对未开孔构件的，对于开孔构件还没有具体的设计方法理论[2]。我国GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构设计规范[3]也没有关于开孔构件具体的设计方法。开孔冷弯薄壁型钢受弯构件承载力的计算是否可以采用已有未开孔直接强度法公式计算值得进一步去研究。

1 直接强度法简介

Schafer通过对已有的试验数据进行回归整理，建立了冷弯薄壁型钢受弯构件的直接强度法计算公式。DSM公式分为两类：一类考虑了畸变屈曲，另一类考虑了局部和整体的相关屈曲。

考虑畸变屈曲受弯构件抗弯承载力Mnd计算公式为：

(1)

考虑局部和整体相关屈曲的受弯构件抗弯承载力Mnl计算公式为：

(2)

纯弯构件的最终抗弯承载力为：Mn=min{Mnd,Mnl}。

2 纯弯开孔构件DSM研究

根据已发表的文献[4]腹板开孔冷弯薄壁C型钢纯弯构件的有限元分析结果，以原始DSM公式为基准，修正适用于腹板开孔纯弯构件的DSM公式。原始DSM公式将局部屈曲和畸变屈曲分别采用不同的公式计算，没有考虑局部和畸变的相关屈曲这种情况。在有限元分析选取参数时由于对构件的整体弯扭屈曲进行了限制，构件仅发生了畸变屈曲和局部与畸变的相关屈曲。所以本文在建立DSM计算公式时，分别考虑畸变屈曲和局部与畸变相关屈曲两类公式。

3 有限元分析

有限元分析分为特征值屈曲分析和非线性分析两个阶段。首先进行特征值分析，得出特征值分析的不同模态，提取出第一模态，然后进行非线性分析。图1为卷边长度40 mm，构件厚度3.0 mm时不开孔和工业标准化孔洞尺寸试件特征值局部屈曲模态。图2为卷边长度20 mm，构件厚度3.0 mm时不开孔和工业标准化孔洞尺寸试件特征值畸变屈曲模态[4]。

4 纯弯开孔畸变DSM公式研究

腹板开孔构件在原有的直接强度法公式设计下是否安全还不得而知，因此需选取孔高比0.2,0.4,0.6和0.8发生畸变屈曲(卷边20 mm)的算例分别代入验证。用净截面边缘屈服弯矩Mynet代替原始DSM计算公式中的Mne，以有限元分析所得纯弯构件的抗弯承载力Mu与Mynet的比值Mu/Mynet作为纵坐标，以λd=(Mynet/Mcrd)0.5作为横坐标，绘制二者之间的散点图。

5 修正后的直接强度法公式

由图3可以看出，孔高比0.2,0.4,0.6和0.8的构件均需要进行修正，图3中虚线是纯弯构件畸变屈曲原始DSM曲线，从图3中看出大多数散点位于原始DSM曲线的下方，此时若采用原始DSM公式计算这些构件的抗弯承载力是偏于不安全的，因而对其进行修正。图3中实线是修正后的纯弯构件畸变屈曲DSM曲线，大多数散点位于修正DSM曲线的上方，基本满足要求。

修正后孔高比0.2畸变屈曲DSM曲线所对应的计算公式为：

(3)

修正后孔高比0.4畸变屈曲DSM曲线所对应的计算公式为：

(4)

修正后孔高比0.6畸变屈曲DSM曲线所对应的计算公式为：

(5)

修正后孔高比0.8畸变屈曲DSM曲线所对应的计算公式为：

(6)

6 结语

纯弯状态下，原有的直接强度法设计公式不再适用于开孔发生畸变屈曲的构件，对于不同孔高比0.2，0.4，0.6和0.8的构件DSM公式均需要进行修正，并给出了修正公式。

[1] 王海明.冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

[2] Moen C D.DIirect Strength Design of Cold-Formed Steel Members with Perforations[D].Johns Hopkins University，2008:1-529.

[3] GB 50018—2002,冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].

[4] 徐锋锋,赵金友.腹板开孔冷弯薄壁C型钢纯弯构件抗弯承载力研究[J].山西建筑,2016，42(21):46-48.

ResearchonC-shapedbendingstrengthofcold-formedthin-walledflexuralmemberswithwebholes

XuFengfeng

(GuangdongPolytechnicCollege,Zhaoqing526100,China)

Direct Strength Method(DSM) is the main method for the stability design of cold-formed steel, the method of web undrilling component design is feasible, but suitable for web opening component also can make nothing of it. This paper selects some parameters of pure bending members with holes for the finite element analysis, analysis showed that the DSM formula of pure bending distortional buckling hole in the high ratio of 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8 are revised, and the revised formula is given.

direct strength method, finite element, cold-formed thin walled C-section steel, web opening holes

1009-6825(2017)32-0040-03

2017-09-06

徐锋锋(1990- )，男，助教

TU311.4