刁莉莉
【摘 要】针对实际工程中存在的钢梁翼缘开洞问题展开研究，通过有限元分析的方法系统研究了钢梁翼缘开洞位置处的截面强度，考虑开洞位置、开洞个数对钢梁强度的影响，并给出了实用的补强加固措施，以期指导实践。%This paper launches a study on the flange opening steel beam existing in practical engineering, studies the section strength of flange opening H-shaped steel beam at opening position with finite element analysis method, and considers the impacts of opening location and opening quantity upon the steel beam strength, and shows applicable compacting and reinforcing measures, with a view to guide practice. 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2012(038)020 【总页数】2页(P47-48)
【关键词】翼缘开洞;开洞个数;开洞位置;加固措施 【作 者】刁莉莉
【作者单位】西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055 【正文语种】中 文 【中图分类】TU318
0 引言
众所周知，梁的抗弯承载力主要是由翼缘提供的，翼缘应力通常较大;而腹板主要承担梁中剪力，应力较小。许多学者已对钢梁腹板开洞(削弱)［1-4］的情况进行了较为深入的研究，但对翼缘开洞的情况分析的较少［5］，至今未见有相关技术标准或者规定。
经过初步分析可知，钢梁翼缘开洞势必会削弱梁的截面强度和刚度，因此为了满足实际工程钢梁翼缘开洞穿线的需要，本文对钢梁翼缘开洞问题进行系统的有限元分析。一方面分析开洞位置、开洞个数等不同设计条件对钢梁的截面强度和刚度的影响，研究在各种情况下钢梁的极限荷载;另一方面，通过有限元参数分析考察开洞对钢梁翼缘应力的影响，并提出相应的实用加固措施，供设计参考。 1 有限元建模
本文采用通用有限元分析软件ANSYS进行建模分析。选取实际工程中较为常用的 H型钢梁为分析对象，钢材材质为Q345B，截面规格为HN350×175×7×11，开洞个数具体分为开2个洞，开4个洞与开5个洞三种情况。考虑钢梁沿跨度方向受力大小不同，开洞位置取为跨中和距离支座L/5(或者L/6)处。
分析时钢梁模型同时考虑几何非线性和材料非线性。在定义材料的弹塑性时，假定钢材的本构关系为双线性随动强化模式，取钢材的屈服强度为420 N/mm2。材料的弹性模量 E=2.06×105MPa，在达到屈服应力 fy之后，材料的切线模量Et=0.005E=1.03×103MPa，材料的屈服服从 Von-Mises屈服准则，进入塑性之后满足Prandtl-Reuss塑性流动法则。
选取简支梁作为有限元分析对象。为在ANSYS中模拟梁端铰接条件，在梁支座加劲肋处下翼缘一端施加UX，UY，UZ两个方向的线位移约束另一端仅施加UX，UY方向的线位移约束。在梁跨度的1/3点处施加集中荷载。节点网格划分考虑到
模型的准确性和网格划分的可实施性，采用映射网格划分，如图1所示。 2 翼缘开洞对钢梁受力的影响
2.1 开洞个数对强度和刚度的影响
分析时取跨度三分点处加载，荷载值取F=250 kN。试件梁跨中的弯矩相等，剪力为零。取开洞个数为2个洞和5个洞的试件进行计算。开洞位置为跨中开洞和弯剪段开洞，相应的荷载—位移曲线见图2。
从图2可以看出:钢梁进入弹塑性阶段之后，随着开洞数的增多，跨中挠度增大，但极限荷载基本相同。由于开洞的影响，洞口周围应力集中，跨中开洞对结构承载力的影响比较大，构件在达到极限荷载时，由于跨中挠度和侧向位移的迅速增长，荷载位移曲线出现负斜率，即钢梁丧失承载能力，开始卸载。 2.2 补强措施分析检验
通过参考美国与澳大利亚腹板开洞规范［6，7］以及我国钢结构节点构造图集［8］中对腹板开洞梁的补强措施，本文采用实用的焊接补强板的方案:在H型钢梁上、下翼缘开洞处内侧各焊接一块钢板，保证结构和构件的安全使用。
分析中取在钢梁跨度1/3点处加载，荷载值取F=250 kN，补强板厚取12 mm。采用翼缘跨中开2个洞未补强、开洞补强与未开洞梁的变形与应力进行研究比较，分析结果比较见表1。
表1 补强钢梁跨中挠度与最大应力补强情况 跨中挠度/mm 最大Von-Mises应力/MPa未开洞10.04 321.674开两洞11.989 448.457开两洞补强10.022 416.693
由表1结果对比可知:由于梁翼缘开洞削弱未补强导致了梁变形的增大，孔洞周围应力集中现象明显且应力集中值较大;而且由于开洞处截面不对称，还导致了梁出
平面外的变形的增大。翼缘开洞补强后较开洞未补强变形减少，应力集中也有相当程度的缓解，相应的应力集中区域减小很多，由此可见加贴补强板措施对于梁翼缘开洞加固是有效果的。 3 补强后钢梁受力性能的分析
本分析取跨度1/3点处加载，取补强板厚为12 mm时，在跨中和弯剪段分别开4个洞和5个洞时与未开洞钢梁的应力、变形进行对比，分析对于不同位置和不同开洞数量补强措施的可行性。 3.1 弹性极限荷载时的孔周应力集中
根据理论计算求得未开洞梁边缘纤维屈服的荷载为315 kN。
开洞位置分别在钢梁跨中和弯剪段时，未开洞和开洞补强后钢梁孔周应力最大值和跨中挠度值如表2所示。
表2 不同开洞位置不同开孔个数跨中挠度和孔周应力开洞情况 开洞位置 跨中挠度/mm 孔周最大Von-Mises应力/MPa未开洞钢梁 —12.847 402.681开四洞补强后 跨中12.994 426.983开五洞补强后 跨中13.115 428.142开四洞补强后 弯剪段11.816 417.271开五洞补强后 弯剪段13.742 421.352
从表2可以看出，在弹性荷载315 kN以前，所有钢梁都处在弹性阶段，开洞补强后孔周应力有所增大，增大系数大约为1.06，并且跨中挠度略有增大。可见在弹性阶段，补强后开孔对于梁的承载力和刚度影响是相对较小的。 3.2 全截面塑性荷载时的孔周应力集中
根据理论计算求得未开洞梁达到全截面塑性的荷载为360 kN，现在考察在此荷载下，开洞钢梁补强后孔周的应力集中情况。
开洞位置在钢梁跨中和弯剪段时，未开洞和开洞补强后钢梁孔周应力情况分别见图3和图4。
从图3和图4可以看出，荷载超过315 kN以后，构件就进入弹塑性阶段。图3表明当荷载达到360 kN时，孔周横向应力已全部达到最大Von-Mises应力，其较未开洞钢梁应力有所增大，增大系数在1.12～1.13之间，同时伴随着侧向位移不断增大。进入塑性后，补强后的开洞钢梁较未开洞补强前承载力下降，但是在进入塑性后仍有一定的承载力，建议在计算开洞梁截面强度时，不要考虑截面的塑性发展。 4 结语
1)在弹性阶段，钢梁开洞数量并不太影响梁的变形与孔周应力大小;而在弹塑性阶段，开洞钢梁较未开洞补强前承载力下降，但是仍有一定的承载力。从安全角度出发，建议在计算开洞钢梁截面强度时，不要考虑截面的塑性发展。2)通过有限元分析比较，补强后钢梁与未补强钢梁相比，应力集中情况得到了较好的改善，强度也有所增强，证明增焊补强板的加固措施是有效的。3)虽然本文进行了大量的数值计算分析，但是尚缺少相关试验数据的支持，与之相应的试验研究将在后续开展。 参考文献:
【相关文献】
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［3］茹继平，杨 娜.翼缘削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述［J］.工程力学，2004，2(1):61-66.
［4］戴绍斌，刘文吉.狗骨式刚性连接节点的受力性能试验研究［J］.武汉理工大学学报，2004，26(12):56-58.
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