不锈钢框架结构的塑性效应分析_陈培旭.pdf

116Industrial Construction Vol.53，No.2，2023工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期不锈钢框架结构的塑性效应分析*陈培旭1张铮1，2廖仁生1Asante ichard1(1福建工程学院土木工程学院，福州350118;2闽台合作土木工程技术福建省高校工程研究中心，福州350118)摘要:不锈钢因其材料性能的优越性在土木工程领域得到越来越广泛的应用，但其框架设计常参照钢结构，忽略了不锈钢材料名义屈服强度前的塑性应变，使不锈钢框架设计存在隐患。为了揭示塑性效应对不锈钢框架的影响，对 3 种框架进行精确二阶弹塑性分析，并与 GB 500172017 钢结构设计标准 的简化设计方法进行比较。结果表明:塑性效应在大多数情况下对不锈钢框架的弯矩和侧移影响显著，不锈钢框架参照钢结构进行设计往往偏于不安全，而塑性效应系数能够较好地反映塑性效应对框架的影响，且塑性效应系数0.7 时框架的塑性效应显著。关键词:不锈钢;框架结构;材料非线性;塑性效应;有限元分析DOI:10.13204/jgyjzG20102301Plastic Effect Analysis of Stainless Steel Frame StructuresCHEN Peixu1ZHANG Zheng1，2LIAO ensheng1ASANTE ichard1(1School of Civil Engineering，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China;2Fujian-Taiwan Cooperative Institute of Civil Engineering Technology in Universities of Fujian Province，Fujian University of Technology，Fuzhou 350118，China)Abstract:Stainless steel is more and more widely used in civil engineering because of its superior material propertiesHowever，its frame design often refers to steel structure，ignoring the plastic strain before the nominal yield strength ofstainless steel，which may cause hidden dangers in stainless steel frame design In order to reveal the influence of theplastic effect on stainless steel frame，the accurate second-order elastoplastic analysis of three typical frames was carriedout and compared with the simplified design method of the national standard Standard for Design of Steel Structures(GB500172017)The results showed that the plastic effect had a great effect on the bending moment and side shift of thestainless steel frame in most cases The design of the stainless steel frame with reference to the steel structure tended tobe unsafe，and the plastic effect coefficient could better reflect the influence of the plastic effect on the frame Based onthe analysis results，the design proposal of stainless steel frame structures was proposedKeywords:stainless steel;frame structure;material nonlinearity;plastic effect;finite element analysis*福建省自然科学基金(2017J01670);福建工程学院科研发展基金(GY-Z17159)。第一作者:陈培旭，男，1995 年出生，硕士研究生。电子信箱:cpx13055748461 163com收稿日期:20201023不锈钢结构具有造型美观、耐腐蚀性好、易于维护和全生命周期成本低等优点，在建筑结构中具有广阔的适用性1。不同于低碳钢，不锈钢是一种典型的非线性金属材料，没有明显的屈服平台，通常取0.2%残余变形对应的应力值为名义屈服强度。不锈钢材料屈服前所产生的塑性应变是否会对框架的受力和安全造成影响，往往被设计人员所忽视。CECS 4102015 不锈钢结构技术规程2(简称 不锈钢规程)未对不锈钢框架结构内力分析进行明确的定义，虽可参考 GB 500172017钢结构设计标准3(简称 钢标)进行设计，但钢标 中提出的框架分析方法(一阶弹性分析、二阶P弹性分析和直接分析)主要是针对应力应变呈线性变化的普通钢材，是否适用于名义屈服强度 f0.2前已经产生塑性应变的不锈钢材料还有待验证。为探究塑性效应下不锈钢框架的受力性能，采用 不锈钢规程 中提供的不锈钢 S316 本构，建立了单层单跨、两层单跨和两层两跨等典型不锈钢框架结构数值模型，对其进行精确二阶弹性分析和精确二阶弹塑性分析，并将分析结果与钢标 中的简不锈钢框架结构的塑性效应分析 陈培旭，等117化设计方法进行比较，验证塑性效应是否对不锈钢框架结构设计产生不利影响，以期获得可供实际工程设计参考和借鉴的结果。1设计方法金属结构的设计方法普遍参照钢结构，在整体结构设计中按照材料线弹性进行分析。一阶分析是在结构未变形状态下的平衡分析，而结构在已变形状态下的平衡分析为二阶分析。只考虑几何非线性的二阶分析为二阶弹性分析，同时考虑材料非线性则为二阶弹塑性分析。钢标 的简化设计方法通过定义二阶效应系数 i，max来考虑二阶效应的影响。当 i，max 0.1 时，可采用一阶弹性分析;当0.1 i，max 0.25 时，宜采用二阶 P 弹性分析或直接分析;当 i，max 0.25 时，宜采用直接分析。二阶效应系数的计算公式如下:i，max=Ni uiHki hi(1)式中:Ni为计算 i 楼层各柱轴力设计值之和，N;Hki为计算楼层及以上各层水平力之和，N;hi为层高，mm;ui为一阶分析计算的层间侧移，mm。框架初始缺陷包括整体结构缺陷和构件缺陷。为简化设计，钢标 的简化设计方法采用假想水平力和等效均布荷载来分别等效上述两种初始缺陷。钢标 的二阶 P 弹性分析法只考虑 P 效应，直接分析法则同时考虑 P 和 P 效应。当直接分析法限于结构第一个塑性铰形成之前时，规定不考虑材料的非线性，即进行简化二阶 P 弹性分析，计算模型如图 1 所示。H 为水平力;Hn1为假想水平力。图 1框架计算模型Fig1Frame calculation model框架结构整体初始缺陷的计算方法如下:i=hi2500.2+1ns(2a)Hni=Gi2500.2+1ns(2b)式中:Hni为每层楼顶施加的假想水平力;i为初始缺陷代表值，mm;ns为结构总层数，当02+1/ns 2/3时，取 2/3;当02+1/ns 1 时，取 1.0;hi为层高，mm;Gi为重力荷载设计值，N。构件初始缺陷的计算方法如下:q0=8Nke0/l2(3)式中:e0为跨中初始变形值，mm;l 为构件总长，mm;q0为等效分布荷载，N/mm;Nk为轴力标准值，N。上述设计方法均不考虑材料非线性，可能会使不锈钢框架设计偏于不安全，有必要针对其塑性效应影响进行分析，但目前还没有能够考虑非线性材料本构的框架简化设计方法，只能进行精确的有限元分析。2数值模拟2.1不锈钢本构关系不锈钢本构关系与普通碳素钢不同，其具有明显的非线性45，如图 2 所示。不锈钢 S316 名义屈服强度 f0.2为 205 MPa，抗拉极限强度 fu为515 MPa，屈强比为 0.4。图 2S316 不锈钢与 Q235 钢的应力应变曲线Fig2Stress-strain curves of S316 stainless steel and Q235 steel 不锈钢规程 规定不锈钢应力应变关系如下:=E0+0.002f02()n f020.002+f02E0+f02E02+u f02fu f02()mf02 fu (4)其中m=1+3.5f0.2/fuE0.2=E0/(1+0.002E0/f0.2)式中:f0.2为名义屈服强度标准值;E0为初始弹性模量;n 为应变强化数;fu为抗拉极限强度标准值;m为计算系数;E0.2为名义屈服强度标准值对应的切线弹性模量;u为抗拉极限强度对应的应变。2.2参数设置本文选用工程中常用的奥氏体不锈钢 S316 进行分析，其弹性模量 E 为 193 GPa，泊松比 为 0.3，屈服强度 f0.2为 205 MPa。有限元模拟采用通用软件 ABAQUS，框架选用线性梁单元 B216，该单元基118工业建筑2023 年第 53 卷第 2 期于 Timoshenko 梁理论，除了可以考虑轴向、弯曲和扭转等变形外，还考虑了横向剪切变形的影响，适用于大应变、大变形的结构分析。2.3赋予缺陷结构整体缺陷模式按整体一阶屈曲模态取得，几何缺陷最大值 0根据钢标 取结构高度的1/250。构件初始缺陷按正弦波形式施加，通过将框架柱划分为 20 个单元来实现，构件缺陷最大值 e0根据 钢标 取杆件长度的 1/3507。一阶弹性分析时，考虑材料线弹性，不考虑二阶效应。二阶 P 弹性分析时，按式(2b)采用假想水平力，考虑材料线弹性和二阶效应。直接分析时，考虑材料线弹性，按式(2b)和式(3)采用假想水平力和假想均布力，按图 1 施加于框架，考虑二阶效应。精确二阶弹性分析时，引入整体结构初始缺陷和构件初始缺陷，考虑材料线弹性和二阶效应。精确二阶弹塑性分析时，引入整体结构初始缺陷和构件初始缺陷，材性参数按式(4)输入，考虑二阶效应和塑性效应。结构分析中框架柱柱脚和节点均设为刚性连接，控制框架最大应力不超过不锈钢材料的名义屈服强度。单层单跨、两层单跨和两层两跨(分别用框架类型 A、B 和 C 表示)计算简图如图 3 所示，截面参数见表 1，荷载布置见表 2(共 18 个算例)。a类型 A;b类型 B;c类型 C。112 为节点编号。图 3计算简图Fig3Calculation diagrams表 1截面参数Table 1Section parameters框架类型截面截面型号/mm截面尺寸/mmA/cm2Ix/cm4Wx/cm3A柱HW300300 3003001015120.420 5001 370梁HM450300 4403001118157.456 1002 550B柱HW400400 3503501219173.940 3002 300梁HM450300 4403001118157.456 1002 550C柱HW350350 3503501219173.940 3002 300梁HM400200 40020081284.123 7001 1902.4模型验证为确保不锈钢框架数值模型的正确性，建立了文献 810 中的框架模型并进行比对。为节省版表 2荷载布置Table 2Lo