腹板开孔钢梁三种加固方式的有限元分析

范新杰

(锦州市石油化工设计研究院，辽宁 锦州 121000)

近年来，随着经济和科学技术的蓬勃发展，人们对建筑物的使用功能需求日益增加，这就导致了需要在建筑物中布置大量的管线。为了避免由于在建筑物内布置管线而使建筑有效使用空间减小这一现象发生，结构设计师不得不采用在钢梁腹板部位开孔，从而使管线在钢梁腹板部位穿过的方法。然而，采用这种方法将导致钢梁的刚度及承载力受到削弱。因此，GB 50017—2017钢结构设计标准[1]及JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程[2]分别提出了，对钢梁腹板开孔部位进行加固的相关规定。在实际工作中，对于这些加固措施对钢梁力学性能的影响趋势，结构设计师还尚不明确。因此，下面将利用有限元分析结果即荷载-跨中位移曲线和Mises应力云图对这一问题展开讨论。

1 有限元模型

本文采用ABAQUS 2017版单元库中的4节点有限应变壳单元S4R，对模型中所有部件进行模拟。不考虑钢梁的初始几何缺陷，钢材的弹性模量E=206×103N/mm2,钢材的屈服强度为345 N/mm2；采用结构优化网格划分技术对有限元网格进行划分，模型的网格划分尺寸为20 mm；钢材的本构关系采用理想弹塑性模型；所有模型钢梁一端的U1，U2，U3，UR方向的自由度被约束，另一端U1，U2，U3方向的自由度被约束；钢材的屈服准则采用von Mises屈服准则。

两组模型钢梁的跨度为5 400 mm，横截面均为H450×200×8×12；圆孔直径为200 mm，矩形孔的尺寸为200 mm×600 mm；圆孔和矩形孔的间距分别为500 mm和1 000 mm，满足GB 50017—2017钢结构设计标准及JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程中的相关规定。两组模型的加载方式是对钢梁进行三分点两集中力单向加载。钢梁两组模型圆孔和矩形孔的加固数据如表1，表2所示。两组有限元模型如图1，图2所示。

表1 第一组有限元模型圆孔的加固参数

表2 第二组有限元模型矩形孔的加固参数

2 有限元分析结果

2.1 荷载-跨中位移曲线

通过对图3三条曲线的发展趋势的分析可知：当跨中位移在45 mm以下时，三条荷载位移曲线基本重合，说明三者此时都处于弹性工作阶段。当荷载继续增加至171.2 kN时，钢梁L1率先达到了极限承载力；而此时钢梁L2，L3处于弹塑性阶段；由此采用钢套管和双侧环形板对圆孔的加固作用就显现出来。钢梁L2，L3能够承受的极限荷载分别为180.5 kN和181.5 kN,相较于钢梁L1分别提高了5.4%和6%。此外，钢梁L1曲线的屈服平台段长度明显小于钢梁L2，L3，说明通过采用钢套管和双侧环形板对圆孔加固后，钢梁的延性有了显著的提高。

通过对图4中两条极限承载力曲线的对比可以看出：不仅钢梁L1的初始刚度低于钢梁L2,而且当荷载增加到145.5 kN时，钢梁L1达到了极限承载力，而此时钢梁L2仍就处于弹性工作阶段。这种现象表明：采用双侧纵、横向加劲肋对矩形开孔进行加固，有效地推迟了钢梁进入塑性阶段。由于开设两个矩形孔对钢梁L1产生的削弱，钢梁L1在达到极限承载力之后，承载力突然降低，破坏过程具有脆性倾向；而反观钢梁L2，当荷载增加至极限荷载181.7 kN之后，又经历了一段比较长的屈服平台，再经过一个拐点后才逐渐发生破坏。

2.2 Mises应力云图

由图5可知，在第一组有限元模型中的钢梁L1，L2，L3在最终发生破坏时，上翼缘都产生了半个波的屈曲；但是，钢梁L1的上翼缘和孔边此时的应力集中程度明显高于钢梁L2，L3；这是由于钢梁L1开圆孔处截面受到了削弱且并未对其采取任何加固措施。基于以上原因，钢梁L2，L3分别采取了钢套管和双侧环形板对圆孔部位进行了加固，使二者上翼缘和孔边的应力集中现象较钢梁L1得到了缓解。除此之外，对圆孔采取的加固措施还使得塑性铰出现的部位产生了变化即由孔边转移到了钢梁的跨中部位，并且塑性铰区域的范围也较之前扩大了不少。

由图6可知，开有矩形孔的钢梁L1，在剪力和由剪力产生的次弯矩共同作用下，塑性发展区域仅限于矩形孔的四个角部，形成了“四铰机构”空腹破坏状态；与此同时，在矩形孔的上翼缘都产生了局部屈曲。以上现象表明，钢梁L1的极限承载力偏低，塑性发展受到限制，材料的强度利用率不高。基于以上不利因素，钢梁L2依据《钢结构设计标准》与《高层民用建筑钢结构技术规程》在钢梁L1的基础上，对两个矩形开孔周围加设了纵横向加劲肋。从有限元计算得到的最终发生破坏时的Mises应力云图可以看出，塑性发展区域由原来的仅存在于两个矩形孔的四个角部，变成了出现在钢梁L2的跨中部位，而且塑性铰区域得到了充分的发展。

3 结论

1)通过对开有圆孔的钢梁加设套管和双侧环形板；以及对开有矩形孔的钢梁加设纵横向加劲肋的加固措施，可以使钢梁的极限承载力和延性得到进一步提高[3]。2)腹板开圆孔钢梁的两种加固措施套管和双侧环形板，对于钢梁跨中截面的刚度和延性的提高幅度很接近[4-5]。因此，结构设计人员在实际工作中可以根据具体情况，任意选择这两种加固方式的其中一种。3)本文中的有限元模型，是按照规范的加固构造措施最低要求建立的，从有限元的计算结果来看，加固后开孔钢梁的跨中截面的刚度和延性都有了一定程度的提高[6]。因此，在实际的工程设计中，不要随意的提高加固的构造措施要求，以免造成不必要的浪费。