鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)荷載橫向分布作用及其試驗(yàn)研究

馮安濤，周新剛

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺264005)

鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)荷載橫向分布作用及其試驗(yàn)研究

馮安濤，周新剛

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院，山東煙臺264005)

根據(jù)鉸接板理論，分析了橫向荷載作用下，鋁合金甲板結(jié)構(gòu)中鋁合金夾心板的互相作用及其荷載分布，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析.理論和試驗(yàn)研究表明，鋁合金夾心板拼接形成的甲板結(jié)構(gòu)，在橫向荷載作用下具有明顯的相互作用.分析計(jì)算甲板的受力性能時考慮橫向荷載分布的影響，能比較好地反映甲板的整體受力性能，對甲板的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的作用.

鋁合金夾心板;載荷試驗(yàn);橫向分布系數(shù);鉸接板理論

鋁合金材料具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕的特點(diǎn)，且具有良好的加工性能，通過擠壓成型等方式可以加工成任意形狀的鋁合金型材［1-3］.在擠壓加工過程中，材料的力學(xué)性能不會發(fā)生改變.鋁合金的應(yīng)用非常廣泛，傳統(tǒng)上主要應(yīng)用在航空等領(lǐng)域，目前在海洋工程、軍事工程以及民用大跨度結(jié)構(gòu)等中也有廣泛的應(yīng)用［4-5］.作為結(jié)構(gòu)材料，鋁合金型材主要分為2類，一類是作為主要受力構(gòu)件的H型、槽型、L型及管型(方形或圓形)構(gòu)件(圖1)，一類是各種形狀的夾心板構(gòu)件(圖2).夾心板構(gòu)件通過拼裝組成的甲板結(jié)構(gòu)可以作為墻面或屋面覆蓋結(jié)構(gòu)，也可以作為舟橋的甲板及海洋平臺停機(jī)坪的甲板等.

圖1 鋁合金型材Fig.1 Aluminum alloy profiles

圖2 鋁合金夾心板Fig.2 Aluminum alloy sandwich plate

鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)是通過夾心板邊緣的齒槽拼接而成(圖3)，當(dāng)板上作用的豎向荷載非均勻分布時，板與板之間存在相互作用，即一塊板上的荷載通過齒槽之間的連接向其他板上傳遞.這種相互作用，在橋梁結(jié)構(gòu)中又稱為荷載的橫向分布作用.根據(jù)荷載橫向分布理論，荷載橫向作用的大小與板之間的橫向連接剛度及夾心板本身的抗彎、抗扭剛度有關(guān)［6］.本文根據(jù)鋁合金夾心板拼接形成的甲板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用鉸接板理論分析了鋁合金夾心板的荷載橫向分布作用，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析驗(yàn)證.理論和試驗(yàn)研究表明，采用鉸接板理論分析不帶橫向連接的鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)，可以很好地揭示夾心板甲板結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，對夾心板甲板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.

圖3 齒槽連接構(gòu)造Fig.3 Slotted connection structure

1 鋁合金夾心板甲板荷載橫向作用分析

根據(jù)荷載橫向分布理論，荷載橫向分布的計(jì)算分析方法主要有:杠桿原理法、偏心壓力法、橫向鉸接板法、橫向剛接板法和比擬正交異性板法等［7］.對于僅在翼板間采用焊接連接或直接交叉連接的中間無橫隔梁的裝配式板，雖然板塊間有一定的連接構(gòu)造，但其連接剛度相對較為薄弱，這類結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)接近于數(shù)根并列、相互間橫向鉸接的狹長板.這種情況一般采用鉸接板理論分析計(jì)算荷載橫向分布作用［6-8］.根據(jù)圖3鋁合金夾心板拼裝組成的甲板結(jié)構(gòu)中鋁合金夾心板之間的連接特點(diǎn)，鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)符合鉸接板理論的分析條件.

1.1 荷載橫向作用分析基本方程

根據(jù)鉸接板理論的基本假定，在豎向荷載作用下，接縫只傳遞豎向剪力.采用半波正弦荷載分析跨中荷載橫向分布的規(guī)律，其荷載表達(dá)式為

夾心板的拼接構(gòu)造可簡化為圖4所示的模型，按鉸接板理論，在半波正弦荷載作用下，任意板間的鉸接縫上承受的荷載也為半波正弦荷載(圖5).

圖4 夾心板連接結(jié)構(gòu)Fig.4 Connection structure of sandwich plate

當(dāng)任意板i上作用單位正弦分布荷載時，板與板之間相互作用的分析簡圖如圖6所示(P=1).荷載以剪力的形式通過鉸接縫傳遞.將甲板結(jié)構(gòu)沿著鉸接縫切開，則每一個鉸接縫內(nèi)均作用著一對大小相等、方向相反的正弦分布鉸接力.對于n塊夾心板拼接而成的甲板結(jié)構(gòu)，具有(n-1)條鉸接縫，則有(n-1)個未知鉸接力峰值gj需要求解.

圖5 鉸接板鉸接縫的受力分布Fig.5 Force distribution of the hinged plate hinge joint

圖6 單位荷載作用于第i跨時的計(jì)算模型圖Fig.6 Calculation model when the unit load applied on the ith span

對于單塊夾心板取隔離體，由于每塊板兩側(cè)接縫的剪力大小不同，板既受到橫向荷載作用，又受到由此產(chǎn)生的扭矩作用.可以用作用在夾心板上的中心荷載及其扭矩代替.因此，如圖7所示，可以用橫向力gi和mi作為基本未知力;豎向位移ω和φ作為對應(yīng)的位移.

圖7 板的受力分析圖Fig.7 Force analysis for plate

將(n-1)條鉸接縫切開形成基本體系，利用2相鄰板塊在鉸接縫處豎向位移的變形協(xié)調(diào)條件，通過力法原理求解各夾心板的鉸接力峰值.對于圖6的各夾心板甲板結(jié)構(gòu)的基本體系，可以列出正則方程如下［7］:

隨著傳統(tǒng)文化的存在變得越來越艱難，人們似乎也漸漸師徒做一些努力來挽回，這其中，景觀設(shè)計(jì)中越來越多的傳統(tǒng)文化的運(yùn)用便是很好的例子，很多地方的景觀建筑都開始走復(fù)古風(fēng)格，像傳統(tǒng)靠攏，這確實(shí)是令人振奮的現(xiàn)象。下面就來為大家具體列舉一些傳統(tǒng)文化在景觀設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用：

式中:δjk為鉸接縫k內(nèi)作用單位正弦鉸接力時，在鉸接縫j處引起的豎向相對位移;δjp為外荷載p在鉸接縫j處引起的豎向位移．

式中:ω為第i板的位移;φ為第i板的轉(zhuǎn)角．式中δip=-ω，其他常系數(shù)均為0．將系數(shù)帶入正則方程(2)，令γ=bφ/2并化簡，得解析式［6］:

其中:2≤j≤n-2，且j≠i-1，j≠i．

對于簡支鉸接夾心板，將ηij定義為第i塊板上作用荷載P時橫向分布給第j塊板的荷載分布系數(shù)，即各板中點(diǎn)的荷載橫向影響線系數(shù)，就可以按單梁理論分析單個拼接板的內(nèi)力和變形了．

由圖6分析可知，每塊夾心板中點(diǎn)的荷載橫向影響線系數(shù)為

式中:gj為第j條鉸接縫的鉸接力．

由式(3)可知，確定了剛度參數(shù)γ、板塊數(shù)量n和荷載的作用位置，即可求得(n-1)個未知鉸接力的峰值gj和各板中點(diǎn)的荷載橫向影響系數(shù)ηij．

1.2 參數(shù)的確定

式中:l為夾心板跨度;E、G分別為夾心板材料的彈性模量和剪切模量;I、IT分別為夾心板截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩．

圖8所示的典型夾心板截面的截面特性參數(shù)計(jì)算如下:截面抗彎慣性矩為

式中:Ic、If分別為夾心板截面的夾心部分抗彎慣性矩和翼緣部分抗彎慣性矩.

圖8 典型夾心板截面Fig.8 A typical sandwich board section

截面的抗扭慣性矩為［7］

式中:Ω為夾心板外圍薄壁中線所圍的面積;ci為矩形截面抗扭剛度系數(shù)，按表1確定［7］.

表1 矩形截面抗扭剛度系數(shù)取值Tab.1 Values of rectangular section torsional stiffness coefficient

簡支板撓度計(jì)算:

式中:FP為板跨中承擔(dān)的荷載.

2 試驗(yàn)研究

文中選擇如圖9所示的鋁合金夾心板組成的甲板進(jìn)行試驗(yàn)研究.根據(jù)公式(4)～(6)及圖9所示的夾心板截面尺寸，計(jì)算的參數(shù)見表2.

根據(jù)前述的橫向荷載分布的鉸接板理論計(jì)算分析，當(dāng)荷載作用在中間板的跨中時，計(jì)算得到的荷載橫向分布系數(shù)影響線見圖10所示.

圖9 截面尺寸(mm)Fig.9 Sectional dimension

表2 鋁合金夾心板的截面特性參數(shù)及分析參數(shù)Tab.2 Cross section parameters and the analysis parameters of aluminum alloy sandwich panel

圖10 荷載橫向分布系數(shù)影響線Fig.1 0Influence line of the load transverse distribution coefficient

計(jì)算結(jié)果表明，圖9所示截面形式的夾心板結(jié)構(gòu)拼接組成的甲板具有較好的荷載橫向傳遞能力，各拼接板之間共同作用承擔(dān)上部施加的荷載.5塊拼接板共同承受荷載作用時，直接承受荷載的夾心板較單獨(dú)承受荷載時所分擔(dān)的荷載降低了近70%，所以，該鋁合金夾心板結(jié)構(gòu)及其連接構(gòu)造具有良好的荷載橫向傳遞能力，鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的整體受力性能.

為驗(yàn)證鉸接板理論分析夾心板甲板結(jié)構(gòu)荷載的橫向分布的適用性，對圖11所示的甲板進(jìn)行試驗(yàn).甲板為簡支，在中間板的跨中施加集中荷載.根據(jù)CAP437船載直升機(jī)規(guī)范［9］，荷載分別施加107 kN和179 kN，模擬EH101型直升機(jī)平穩(wěn)著陸時和緊急著陸時對甲板產(chǎn)生的豎向荷載.

在不同荷載水平下，各塊板實(shí)測的撓度及按照鉸接板理論計(jì)算的撓度見圖12.從計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果看，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好.說明前述的鉸接板理論可以很好地分析鋁合金夾心板組成的甲板結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用下的相互作用.通過比較考慮夾心板的相互作用時直接承受荷載的夾心板的撓度與不考慮相互作用時單塊夾心板的撓度數(shù)據(jù)(表3)，結(jié)果表明，考慮夾心板的相互作用可以顯著降低局部集中荷載作用下板的變形.因此，在甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮夾心板的相互作用，可以對甲板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

圖11 試件加載位置圖(mm)Fig.1 1Position of the load applied on the specimen

表3 直接承受荷載的夾心板的撓度Tab.3 The deflection of sandwich panel loaded directly

圖12 理論計(jì)算和試驗(yàn)測試撓度比較(mm)Fig.1 2Comparison of theoretical calculation and experimental test deflection value

3 結(jié)論

本文通過鉸接板理論，分析了橫向荷載作用下，鋁合金夾心板甲板結(jié)構(gòu)中鋁合金夾心板的互相作用及其荷載橫向分布，并進(jìn)行了鋁合金夾心板甲板載荷試驗(yàn).理論和試驗(yàn)研結(jié)果對比分析表明，鋁合金夾心板拼接形成的甲板結(jié)構(gòu)，在橫向荷載作用下具有明顯的相互作用，夾心板之間的相互作用可以顯著降低局部集中荷載作用下板的變形.考慮橫向荷載分布的影響，分析計(jì)算甲板的受力性能，可以很好地揭示夾心板甲板結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并且能較好的反映甲板的整體受力性能，對甲板的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的作用.

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Theory and Test Study on Transverse Load Distribution of Aluminum Alloy Sandwich Plate Deck Structure

FENG An-tao，ZHOU Xin-gang
(School of Civil Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China)

Based on the hinged slab theory，the interactions between aluminum alloy sandwich slabs under lateral load as well as the load distribution are analyzed.Simultaneously，the results are compared with the experimental data.It can be concluded that the deck structure made of sandwich plate behaves much apparently in the interaction under lateral load.The global behavior of the loaded deck can be reflected much better when the influence of load transverse distribution is considered to analyze the stress performance of deck.This analysis plays an important role in the optimization design of deck.

aluminum alloy sandwich panel;load test;transverse load distribution factor;hinged slab theory

TU395

A

(責(zé)任編輯 蘇曉東)

1004-8820(2015)02-0141-05

10.13951/j.cnki.37-1213/n.2015.02.112

2014-08-04

馮安濤(1989-)，男，山東樂陵人，碩士研究生.

周新剛(ytuzhou@126.com)，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)工程方面的研究.