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近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，人們對于住宅的整體性能和建筑的環(huán)保要求越來越重視，在這一背景之下，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅以其結(jié)構(gòu)自重輕、施工過程簡單且周期短、布局靈活多變、室內(nèi)外空間整體性好、抗震性能優(yōu)越等優(yōu)點，得到了很大的發(fā)展，并漸漸在住宅建筑新體系中占據(jù)了一席之地。在實際工程中，通常采用由多個單肢C形、U形基本構(gòu)件通過自攻螺釘連接而成的拼合構(gòu)件來作為該體系的承重結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)基本構(gòu)件的數(shù)量和擺放位置可以拼合成不同的截面形式，以滿足各種使用要求的需要。
目前，國內(nèi)外學(xué)者對于單個基本構(gòu)件(C形截面、U形截面)的受力性能已有較為系統(tǒng)的研究成果，現(xiàn)行規(guī)范中對單肢基本構(gòu)件也有明確的計算設(shè)計方法，而對于工程中廣泛應(yīng)用的拼合構(gòu)件缺乏足夠的試驗和理論研究。基于上述原因，本課題組對11種典型截面形式冷彎薄壁型鋼拼合截面立柱進(jìn)行系列試驗與理論研究，本文針對其中雙肢閉合截面拼合立柱進(jìn)行有限元分析，主要研究長細(xì)比和腹板高厚比對其軸壓受力性能的影響。
本文所研究的雙肢閉合截面拼合立柱是由2個C形基本構(gòu)件和2條75mm寬的鋼帶通過螺釘拼合而成，截面形式和單肢基本構(gòu)件尺寸分別如圖1，2所示。拼接螺釘采用ST4.8級平頭自攻螺釘，螺釘縱向間距：沿構(gòu)件縱向長度取為300mm，約為基本構(gòu)件截面高度的2倍，所有構(gòu)件兩端100mm處加強(qiáng)連接;螺釘橫向間距：構(gòu)件連接時，兩列螺釘分別位于兩C形截面翼緣中間，間距為43mm。試件編號規(guī)則如圖所示，拼合截面幾何特性如表所示(以140-3000-1.5為例)。
參照文獻(xiàn)中試驗，柱端邊界條件設(shè)置為兩端雙向鉸接，為了較為精確的模擬雙向鉸接邊界，本文采用雙向刀口鉸支座進(jìn)行模擬，具體設(shè)計如圖所示。此外，為方便試件與雙向刀口鉸支座的連接，立柱上下端部各設(shè)置360mm×280mm×15mm端板。
本文主要研究雙肢閉合截面拼合立柱的軸壓受力性能，在有限元分析中采用塑性殼單元Shell181來模擬C形基本構(gòu)件和連接兩個C形基本構(gòu)件的鋼帶，采用Solid185單元模擬立柱端板和雙刀鉸支座。建模時，首先在ANSYS有限元分析軟件中建立幾何模型，并在幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元模型的建立。采用自下而上的方式建立幾何模型，即先建立控制拼合立柱橫截面的關(guān)鍵點，再由關(guān)鍵點生成線，由線生成面，由面生成體，從而建立拼合立柱的幾何模型，結(jié)果如圖所示。
在設(shè)定材性時，參照文獻(xiàn)中材性試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行取值：對于C形基本構(gòu)件和鋼帶，彈性模量E=2.12×105MPa，波松比μ=0.3，屈服強(qiáng)度fy=305.4MPa，抗拉強(qiáng)度fu=369.7Mpa；對于端板和雙刀鉸支座，則采用普鋼Q235的材性，且為了更好地模擬試驗，避免雙刀鉸支座和端板的變形對構(gòu)件變形量產(chǎn)生影響，將其剛度放大，近似看成是剛性體。
本文對于拼合立柱采用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，用面來控制單元尺寸的大��；對于端板及雙刀鉸支座，由于其幾何形狀非常規(guī)則，采用映射網(wǎng)格劃分和掃略網(wǎng)格劃分技術(shù)。網(wǎng)格尺寸的大小對于有限元模型的計算精度會有較大影響，較細(xì)的網(wǎng)格會使計算結(jié)果更加精確，但是同時也會顯著增加計算成本。最終在權(quán)衡各方面因素的基礎(chǔ)上，決定對于立柱網(wǎng)格尺寸采用15mm，端板及刀鉸網(wǎng)格尺寸采用20mm。
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