模块化建筑优化冷弯薄壁型钢梁在ITF加载下圆形腹板开孔对腹板压溃性能的影响

《Advances in Structural Engineering》：Influence of circular web openings on the web crippling performance of modular construction optimised cold-formed steel beams under ITF loading

　　

冷弯薄壁型钢（CFS）因高强重比、可成形性与可持续性优势在模块化建筑中日益重要。近期开发的模块化建筑优化（MCO）梁采用空心三角形翼缘截面，较常规CFS剖面具有更优抗弯效率与节材潜力。然而MCO梁仍易发生腹板压溃等局部失效，尤其在模块化堆叠、运输及临时支承典型的集中双内翼缘（ITF）加载下。为集成设备管线而开设的大直径圆形腹板开孔（孔径占净腹板高dwh/d1达40–80%）进一步复杂化设计，现行标准对此类构型指导有限。研究人员开展纯数值研究，考察MCO梁在ITF加载下带圆孔时的腹板压溃行为。建立并验证包含648个模型（486个开孔、162个无孔）的有限元（FE）程序，对照同类CFS剖面试验数据验证良好（均值1.00，变异系数COV=0.06）。参数分析涵盖孔径、腹板厚、支承长、转角半径与屈服强度。结果显示40%、60%、80%开孔时腹板压溃承载力平均降低11%、19%、26%，降低幅度对腹板厚、转角半径与支承长最敏感。研究人员提出修正折减系数方程，纳入现有设计条文未考虑的腹板厚与转角半径参数，与FE预测高度吻合（均值1.00，COV=0.04），对应抗力系数0.92。该式可为带设备穿孔MCO梁的初步设计提供依据，弥补现行规范短板。实际应用前仍需试验与独立验证。研究增进了对优化CFS几何中腹板压溃机理的理解，支撑MCO梁在模块化建筑中的安全与节材应用。

研究背景方面，模块化建筑因施工快、质量可控与废料少而全球推广，冷弯薄壁型钢（CFS）凭借高强重比与可成形性成为优选材料。模块化建筑优化（MCO）梁采用空心三角形翼缘截面，较标准卷边槽形梁（LCB）抗弯能力提升30–80%，但作为薄壁构件仍对腹板压溃敏感。双内翼缘（ITF）加载发生于模块堆叠中跨反力或内部梁搁于离散支承时，无端部约束使腹板于无侧限区抗集中力，是所有工况中腹板压溃承载力最低者。实践中为走管线的圆形腹板开孔削弱传力截面，显著降低承载力；而AISI S100、AS/NZS 4600与EN 1993-1-3等规范基于无孔常规剖面回归，未给出MCO空心翼缘大孔构型的修正系数。既有开孔腹板压溃研究多针对LCB、LiteSteel梁（LSB）与sigma剖面，MCO梁在ITF下无论有无开孔均无试验或数值先例，形成关键知识缺口。为此研究人员以ITF加载下中央无加劲圆孔MCO梁为对象，量化几何与材料参数影响，评价现行条文适用性并提出MCO专用折减系数方程。

关键技术方法上，研究人员采用ABAQUS/Explicit建立MCO梁与刚性支承板接触模型，梁用S4R壳单元、板用R3D4刚体单元，中心线下取截面尺寸，全局5×5 mm网格、转角区加密至1×5 mm，圆孔周边顺形剖分；材料取弹性理想塑性（E=210 GPa，ν=0.3，f_y=300/450/600 MPa），忽略应变硬化、残余应力与初弯曲；接触摩擦系数0.4，位移控制加载至?20 mm，峰值荷载判为腹板压溃承载力，荷载位移曲线经10 Hz截止巴特沃斯滤波降噪。验证阶段借用Uzzaman等13个LCB开孔ITF试验与Keerthan等9个LSB空心翼缘ITF试验，FE/试验均值1.01、COV=0.05，间接确认薄腹板与空心翼缘两类机理可信。参数库含150/200/250 mm腹高、厚1–3 mm、支承长50/100/150 mm、转角半径0/3 mm、开孔率0.4/0.6/0.8，共648模型，其中41个因翼缘压溃或收敛失败剔除。

研究结果部分，数值分析小节确立上述建模协议并申明未含残余应力属合理简化。验证小节给出LCB与LSB对照表外数据，证明方法对 slender web 与 hollow-flange 两类行为均准。参数研究小节显示：486开孔模型中40%、60%、80%孔平均折减11%、19%、26%；屈服强度不影响折减率；转角半径由0增至3 mm时同工况折减率下降（如250剖面2 mm厚100 mm支承450 MPa下由12/20/29%降至10/17/25%）；腹板增厚折减率反升（1/2/3 mm厚对应7/13/21%至12/20/28%）；支承长50→150 mm使折减率由13/19/28%降至9/15/23%。机理上圆孔切断传力路径，应力绕孔边集中，厚板原高效传力路被扰故相对损失更大，长支承与大方角缓和高应力。结果讨论小节以应力云图佐证孔周屈服 initiating 与承载力渐进下降。

设计方法小节中，研究人员先将AISI S100原折减式R=A?B(d_wh/d₁)+C(N/d₁)≤1用于MCO，得均值0.93、COV=0.07，低估开孔效应；调入Hareindirasarma等LSB系数仍偏粗。遂用广义简约梯度（GRG）算法标定仅改ABC得均值1.00、COV=0.06；再补入r/d₁与t/d₁项成提案式R=A?B(d_wh/d₁)+C(N/d₁)+D(r/d₁)?E(t/d₁)≤1.00，系数A=1.03、B=0.38、C=0.04、D=2.96、E=3.65，对486模型均值1.00、COV=0.04。可靠度分析按AISI S100框架（β₀=2.5，C=1.521）算得抗力系数φ_w=0.92，适用域0≤r/t≤3、16.67≤N/t≤150、36.3≤d₁/t≤206.3、0.4≤d_wh/d₁≤0.8且R≤1、ITF控制破坏。与LCB对比小节取同卷宽388/514 mm、t=2 mm、r=3 mm、N=100 mm、f_y=450 MPa，MCO在80%孔下折减21%与24%，LCB折减38%与47%，且MCO带40%孔时仍高于LCB无孔承载力，归因于三角空心翼缘提升腹板翼缘交界刚度、应力重分布更优。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出本研究纯FE、缺MCO直接试验，空心翼缘与开孔腹板耦合未经验证，未计残余应力与初缺陷，方程同集标定存过拟合风险，需后续试验校核。结论载明：开孔致MCO梁ITF腹板压溃承载力平均降11%/19%/26%（40/60/80%孔）；折减随腹板厚增而增、随转角半径与支承长增而减；屈服强度无影响，证实属局部几何控制而非整体屈服；现行AISI S100、AS/NZS 4600、EN 1993-1-3不能准确预测开孔MCO；提案含t/d₁与r/d₁的折减方程对486模型均值1.00、COV=0.04，数据集内抗力系数0.92，提供简明初步设计式；MCO在需设备穿孔的模块化场景中具节材鲁棒潜力，但全面应用前须以MCO实体试验验证。论文发表于《Advances in Structural Engineering》。