罗洪光
（湖南工程学院建筑工程学院，湖南湘潭411104）
摘要：波纹腹板H型钢梁与普通H型钢梁相比具有更好的受力性能，工程应用日益广泛。针对12根超出中国规程计算范畴的受局部面荷载作用的波纹腹板型钢试件，运用ANSYS有限元软件进行非线性分析，得到试件承载力的数值计算结果，并与试验值进行比较分析，结果表明：计算值与试验值二者吻合较好。
关键词：波纹腹板；局部面荷载；非线性有限元DOI:10. 13206/j.gjg201604004
0 引 言
波纹腹板H型钢由于具有合理的受力性能和优越的经济性，得到广泛的应用。以12
根受局部面荷载作用的波纹腹板H型钢梁试验为背景，对有限元分析的几何缺陷取值提出建议。2根试件几何尺寸不满足CECS 291:2011《波纹腹板钢结构技术规程》中关于波纹腹
板受弯构件的构造要求，如何考虑此类构件的计算值得研究。列出试件具体的有限元计算值，本文运用ANSYS有限元软件中的12根试件进行非线性分析，所得数值结果与试验值以及采用CECS 291: 2011相关公式得到的计算值进行对比分析，为解决此类构件的计算问题提供有益的启示。
1 有限元计算
1.1 几何建模
本文以序号为4的构件为例，首先对上、下翼缘进行几何建模，然后从构件一端开始建立一个波长A的波纹腹板，再对已建单波长的波纹腹板进行复制。如果梁跨长度不是单个波长为A的整数倍，对剩余非A整数倍的梁跨长度采用与首个单波长的波纹腹板相同方式建模。运用参数化设计语言( APDL)，可选定一个足够小的数值作为结束腹板建模的计算容差，一旦尚未进行腹板建模的剩余梁跨长度小于容差，即可结束腹板几何建模过程。为与试件一致，本文在梁的两端支座处添加了相应的支承加劲肋。最后进行搭接和粘合操作，完成几何建模过程。所建几何模型如图1所示。
1.2 单元与材料参数选取
本文所选单元为Shell 181。根据提供的材料强度值（翼缘和腹板屈服强度分别为379，
373 M Pa;翼缘和腹板的极限强度分别为517，542 M Pa)，本文采用多线性等向强化方式建立四段线性的材料本构关系曲线，如图2所示。
1.3边界约束与加载模拟
作为简支梁，在一端支座处约束x、y、z向的位移，另一端支座仅对x、y向的位移进行约束。在试验中，压力机作用头通过50 mm厚的钢垫板对跨中上翼缘部位施加压力，本文则对与钢垫板接触的上翼缘施加均布面荷载。钢垫板具有一定的刚度，与钢垫板接触的上翼缘y向位移会因此受到影响，为考虑该影响，本文对与钢垫板接触的上翼缘中心2/3范围内的节点y向自由度进行耦合。采用自由方式划分单元网格，翼缘与加劲肋网格尺寸取40 mm，腹板则取20 mm。有限元模型如图3所示。
1.4 有限元求解
算例7.2.2有关失稳分析过程，考虑材料非线性，对型钢梁进行特征值分析，并提取
第1阶失稳模式，为后续几何非线性分析做准备，第1阶失稳模式如图4所示。
在第1阶失稳模式基础上，考虑缺陷乘子2.5，采用弧长法进行静力非线性分析。所施加的面荷载在第1阶失稳对应荷载值基础上取1.2倍增大系数。所选弧长法终止准则为：达到第一个峰值时终止计算。计算峰值对应的承载力极限状态下x向位移云图如图5所示。
2计算对比与分析
调出计算峰值对应的加载步，选择两端支座位置节点，计算所选择节点处的合力即为构件极限承载力。
12根试件腹板高度hw、腹板厚度t w、翼缘宽度b r、腹板波形尺寸均相同，其中h w=
500 mm、t w=6 mm、b r=225 mm、波形直板段长度b= 210 mm、波形斜板段在跨度方向的投影长度d=165 mm、波高h r=139 mm（中心尺寸）。
上述试件的波形超出CECS 291: 2011的尺寸限定范围，为对比起见，仅考虑局部承压强度，采用CECS 291: 2011腹板计算高度上边缘的局部承压极限承载力计算公式的计算值作为腹板局部破坏承载力FCECS，综合ANSYS有限元分析值FANSYS、试验值F e x p，计算对比如表1所示。表中，t f为翼缘厚度，L为梁两端支座间的距离，钢垫板尺寸栏为单个数值的表明整个翼缘宽度受荷载作用。1、2、6、8、9、10项构件面荷载作用位置对应斜板段腹板，其中9、10项构件分别受中心荷载和偏心荷载作用，3、4、5、7、1 1项构件面荷载作用位置对应直板段腹板，12项构件面荷载作用位置对应斜和直板段腹板交点处。
根据试验结果，所有试件的破坏模式均为腹板局部破坏，则进一步指出这种破坏类型
是腹板局部失稳。计算结果表明，x向最大位移点位于与局部面荷载作用位置相邻的腹板上，该点离上翼缘与腹板交接处距离较近，约为腹板高度的1/6，这与文献[2]的试验图片所示情形相吻合。本文所有试件在承载力极限状态下x向位移云图与图5类似。
从表1可见，所有试件有限元分析值与试验值偏差在10%以内，相对偏差平均值为-1.4%，这表明有限元分析值与试验值吻合较好，本文运用数值分析方式较真实地模拟了试件试验情况。
值得指出的是，上翼缘y向自由度耦合对有限元计算结果影响不能忽视。以序号7的构件为例，若耦合节点从上翼缘受压部位面积的2/3扩大到3/4，计算值变为998 k N，与试验值偏差为-7.4%；对于序号1的构件，若耦合节点从上翼缘受压部位面积的2/3减小到1/2，计算值变为755 k N，与试验值偏差为0. 11%。从表1可见，本文统一对2/3上翼缘受压面积范围内的节点进行耦合比较符合各试件的试验状况。
从表1可见，与试验值相比，仅考虑局部承压强度的FCECS计算值比较保守。当然，第9项和第10项构件局部受压宽度并非翼缘宽度，与CECS 291:2011计算简图所示整个翼缘宽度范围均受压不同。此外，FCECS计算值不能反映荷载在梁跨方向作用尺寸不同对构件承载力的影响。上述试件受到局部面荷载和弯矩的共同作用，若再考虑弯矩的作用，计算值可能更加趋于保守。对于超出CECS 291:201 1计算范围的类似构件，在缺乏可靠验证情况下，若盲目套用规程相关计算式可能导致较大偏差，可参照本文对构件进行有限元分析。
与普通H型钢梁相比，波纹腹板H型钢梁腹板局部稳定性能提高了。在计算中，剪力由腹板承担，腹板可能发生3种类型的受剪屈曲破坏模式：腹板局部剪切屈曲、腹板整体剪切屈曲以及介于上述两种模式之间的相关屈曲。本文非线性有限元分析可以确定波纹腹板型钢梁屈曲承载力，为进一步研究该类构件提供支持。
CECS 291: 2011计算波纹腹板受弯构件的抗剪承载力时，需先比较波纹腹板剪切屈曲与剪切强度的大小，再据此判断是否考虑屈曲的承载力折减系数。本文有限元分析可作为波纹腹板受弯构件腹板剪切屈曲计算的参考，有利于抗剪承载力计算。
3 结束语
本文基于ANSYS有限元程序，对12根受局部面荷载作用的波纹腹板型钢试件进行了材料与几何非线性分析，有限元计算值与试验值吻合较好。鉴于我国现行CECS 291: 2011规程对于构件尺寸的限制，本文可为波纹腹板型钢梁的深入研究以及有关工程设计人员提供参考。
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