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近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，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，屈服強度fy=305.4MPa，抗拉強度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小；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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