提高局部荷載作用下波紋腹板H型鋼梁承載力研究

摘 要：針對(duì)局部荷載作用下的波紋腹板H型鋼梁構(gòu)件，運(yùn)用ANSYS有限元進(jìn)行非線性分析，通過與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文有限元分析的正確性和可行性。在跨中局部荷載作用位置設(shè)置腹板橫向加勁肋，非線性有限元分析結(jié)果表明構(gòu)件承載力顯著提高。這說明可運(yùn)用設(shè)置腹板橫向加勁肋的方式提高局部荷載作用下波紋腹板H型鋼梁的承載力。

關(guān)鍵詞：波紋腹板；局部荷載；非線性有限元；加勁腹板

中圖分類號(hào)：TU357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0008-02

引言

波紋腹板H型鋼梁與平腹板H型鋼梁相比，前者腹板穩(wěn)定性好，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益[1]。腹板失穩(wěn)有可能導(dǎo)致波紋腹板H型鋼梁破壞[2]，文獻(xiàn)[2]介紹了12根局部荷載作用下的波紋腹板H型鋼梁試驗(yàn)結(jié)果，12根構(gòu)件跨度較小，均在2m以內(nèi)，試件達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)主要表現(xiàn)為腹板局部失穩(wěn)。

本文首先運(yùn)用ANSYS有限元[3]對(duì)文獻(xiàn)[2]中的12根構(gòu)件進(jìn)行材料與幾何非線性分析，有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文有限元計(jì)算值。然后在原構(gòu)件基礎(chǔ)上在局部荷載作用位置設(shè)置腹板橫向加勁肋，再進(jìn)行有限元計(jì)算，最后通過對(duì)比分析，研究腹板加勁肋對(duì)該類構(gòu)件的影響。

1 有限元計(jì)算

本文采用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言（APDL）建立有限元模型并計(jì)算求解。本文所選單元為shell181，采用多線性各向同性強(qiáng)化（MISO）建立材料本構(gòu)關(guān)系曲線模型以便進(jìn)行材料非線性分析。試驗(yàn)是通過在構(gòu)件跨中上翼緣放置一塊鋼墊板對(duì)試件施加荷載[4]，為模擬鋼墊板作用，本文對(duì)與鋼墊板相接觸的部分上翼緣節(jié)點(diǎn)的荷載作用位移方向（Y向位移）自由度進(jìn)行耦合，位移耦合部分的翼緣占整個(gè)與鋼墊板相接觸翼緣的比例為2/3。參考文獻(xiàn)[4]有關(guān)失穩(wěn)分析過程，先對(duì)型鋼梁進(jìn)行特征值分析，提取第1階失穩(wěn)模式，考慮缺陷乘子，作為幾何缺陷。接著采用弧長法進(jìn)行幾何非線性分析，當(dāng)荷載與變形關(guān)系曲線達(dá)到第1個(gè)峰值時(shí)終止計(jì)算。提取計(jì)算峰值對(duì)應(yīng)的荷載值即為波紋腹板H型鋼梁極限承載力。

2 有限元計(jì)算驗(yàn)證

按前文所述方法，本文得到文獻(xiàn)[2]中的12根構(gòu)件極限承載力有限元計(jì)算值Fansys，F(xiàn)ansys與構(gòu)件試驗(yàn)值Fexp比值如圖1所示。

從圖1可見，所有構(gòu)件有限元計(jì)算值Fansys與試驗(yàn)值Fexp偏差不大于10%。計(jì)算表明，偏差平均值為-1.4%，偏差均方差為4.6%。很明顯，F(xiàn)ansys與Fexp吻合較好，從而驗(yàn)證了本文有限元計(jì)算是正確和可行的。

3 增設(shè)腹板橫向加勁肋后梁的有限元計(jì)算

對(duì)于平腹板H型鋼梁，考慮提高承載力，在局部荷載作用位置，可在腹板兩側(cè)設(shè)置橫向加勁肋[5]。類似的，對(duì)于波紋腹板H型鋼梁，本文在原有構(gòu)件（以下簡稱老構(gòu)件）基礎(chǔ)上，在跨中荷載作用位置增設(shè)腹板橫向加勁肋，得到新構(gòu)件（以下簡稱新構(gòu)件）。新構(gòu)件極限承載力有限元計(jì)算值為F’ansys。F’ansys與老構(gòu)件極限承載力有限元計(jì)算值Fansys比值如圖2所示。

從圖2可見，與老構(gòu)件相比，新構(gòu)件極限承載力得到顯著提高，12根構(gòu)件承載力平均增加60%。以承載力提高約60%序號(hào)為4的構(gòu)件為例，新老構(gòu)件X向位移云圖以及承載力極限狀態(tài)下Von Mises應(yīng)力云圖如圖3～圖6所示。

如圖4所示，X向最大位移點(diǎn)位于跨中荷載作用處附近的腹板上。在圖3中，X向最大和最小位移點(diǎn)位于距離跨中半波長度腹板中部。Von Mises 應(yīng)力是一種等效應(yīng)力，可用于確定構(gòu)件的危險(xiǎn)部位。如圖6所示，老構(gòu)件荷載作用位置附近屬于危險(xiǎn)部位。在圖5中，新構(gòu)件危險(xiǎn)部位位于距離跨中約半波長度的腹板上。

由對(duì)比可見，總體而言，增設(shè)腹板橫向加勁肋影響了構(gòu)件應(yīng)力和位移分布，特別是改善了荷載作用處附近材料的應(yīng)力和位移分布狀況。新構(gòu)件Von Mises 應(yīng)力以及荷載作用平面外X向位移分布均較老構(gòu)件均勻些，也就是說，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)，新構(gòu)件利用材料比較充分，從而有利于提高構(gòu)件承載力。從另一角度而言，在荷載作用處的跨中腹板兩側(cè)設(shè)置橫向加勁肋是一種比較經(jīng)濟(jì)的提高構(gòu)件承載力的措施。

上文僅探討了增設(shè)腹板橫向加勁肋這一相對(duì)經(jīng)濟(jì)的構(gòu)造措施對(duì)波紋腹板H型鋼梁承載力的影響。除此之外，采取改變腹板波形、腹板和翼緣幾何尺寸等措施都可能在一定程度上提高局部荷載作用下波紋腹板H型鋼梁承載力，本文在此不作贅述。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用ANSYS有限元進(jìn)行材料與幾何非線性計(jì)算分析，探討了跨中局部荷載作用位置增設(shè)腹板橫向加勁肋對(duì)波紋腹板H型鋼梁承載力的影響。本文涉及的波紋腹板H型鋼梁跨度較小，增設(shè)腹板橫向加勁肋顯著提高了構(gòu)件極限承載力。本文可為波紋腹板H型鋼梁的深入研究以及有關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李清揚(yáng)，孟麗麗，李穎，等.波紋與平腹板H型鋼吊車梁特征值屈曲分析[J].煤炭工程，2013（6）：108-110.

[2] B.K?vesdi，B.Braun， U.Kuhlmann，L.Dunai. Patch loading resistance of girders with corrugated webs[J].Journal of Constructional Steel Research， 2010，66：1445-1454.ANSYS? v12.0. Canonsburg，Pennsylvania，USA.

[3] 曾攀，雷麗萍，方剛.基于ANSYS平臺(tái)有限元分析手冊(cè)——結(jié)構(gòu)的建模與分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50017-2003.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

作者簡介：羅洪光（1974-），男，湖南隆回人，博士，工程師。研究方向：鋼結(jié)構(gòu)研究。