H型钢热弯残余应力分布模型及钢拱稳定承载力影响分析

摘要

目前，钢拱结构已广泛应用于建筑钢结构与桥梁钢结构中。除圆形钢管外，H型钢也是钢拱结构的常用截面形式。冷弯和热弯两种加工方式均可将热轧H型钢直构件弯曲成钢拱结构。在H型钢的轧制以及加工过程中均会产生不同的残余应力，残余应力的存在会引起钢构件的局部塑性变形，并降低其结构刚度，疲劳性能和稳定承载力。因此，研究H型钢热弯残余应力分布模型十分必要。　　本文采用试验研究及数值模拟相结合的方式分析H型钢热弯残余应力分布。使用线切割放电加工工艺与应变片相结合的方式测量了试验构件的纵向残余应力。采用有限元分析软件ABAQUS对H型钢热弯过程进行了数值模拟，考虑热力耦合效应以及温度相关参数，并对弯曲比、高宽比、屈服强度三个关键因素进行参数化分析。提出了简化的热弯H型钢残余应力分布模型，继而分析了H型钢截面钢拱结构的稳定承载力，研究了热弯残余应力对钢拱稳定承载力的降低作用。得到主要结论如下：　　（1）热弯H型钢上翼缘和下翼缘的残余应力呈对称分布，而腹板呈非对称分布。上翼缘的峰值残余拉应力出现在翼缘两侧边缘，而峰值残余压应力出现在上翼缘与腹板的连接处；下翼缘的残余应力分布与上翼缘相反；腹板中的峰值残余拉应力和峰值残余压应力分别出现在上半部和下半部的中性轴附近。　　（2）弯曲比对热弯H型钢残余应力的数值大小有显著影响。高宽比对热弯H型钢残余应力的分布形式及数值大小影响较小。考虑H型钢构件钢材屈服强度的不同，可以通过残余应力数值乘以fy/355来获得其影响。　　（3）通过线性拟合以及内部平衡方程，推导了简化的热弯H型钢残余应力模型，其中上下翼缘残余应力呈线性分布，腹板残余应力简化为两个三角形区域。该模型预测精度能达到80%及以上。　　（4）热弯残余应力对无铰拱、两铰拱以及水平弹性支承拱稳定承载力的影响约为8%；在集中荷载作用时，热弯残余应力对钢拱稳定承载力的影响约为9%，在均布荷载作用时，热弯残余应力会使钢拱提前进入弹塑性阶段，影响约为8%；当正则化长细比在1.0-1.4之间时，热弯残余应力对钢拱稳定承载力影响最明显，可降低16%。在设计中应考虑热弯残余应力的影响。

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