波折腹板組合梁的受力性能綜述

徐德龍 開 璇 曹禎記

(江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135)

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波折腹板組合梁的受力性能綜述

徐德龍 開 璇 曹禎記

(江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211135)

對(duì)比分析了波折腹板鋼梁與普通平腹板鋼梁的物理性能，從抗彎性能、抗剪性能、抗疲勞性能三方面，分析了波折鋼腹板的研究成果，指出波折腹板鋼梁安全、適用、經(jīng)濟(jì)，必將具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

波折腹板，鋼梁，受力性能，屈曲承載力

1 概述

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用越來越多，對(duì)H型鋼的需求也越來越大，2013年，國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)需求量已達(dá)到3.65億t，國內(nèi)外的專家學(xué)者們對(duì)H型鋼的研究也越來越深入。H型鋼加工制作簡單，安裝拆卸方便快捷，性能優(yōu)越，在工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，如在橋梁、民用住宅、鋼結(jié)構(gòu)廠房、公路等工程領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。在我國，H型鋼只占鋼結(jié)構(gòu)用材的20%左右，具有較好的發(fā)展?jié)摿1-4]。

梯形波折腹板H形截面鋼構(gòu)件作為一種新型構(gòu)件，不僅具有較高的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，還具有良好的經(jīng)濟(jì)性，在對(duì)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)安裝高要求的現(xiàn)代化社會(huì)，這種新型構(gòu)件的優(yōu)勢(shì)正逐步被人們認(rèn)識(shí)并開始應(yīng)用于部分建筑中，可達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)的效果。隨著梯形波折腹板H形截面構(gòu)件研究理論的日趨成熟，這種新型截面構(gòu)件將會(huì)越來越多出現(xiàn)在工程領(lǐng)域中[5]。

目前建筑鋼結(jié)構(gòu)中，實(shí)腹式受彎構(gòu)件絕大部分采用H型鋼梁，普通平直腹板H型鋼是由上下翼緣和中間的腹板構(gòu)成，構(gòu)件截面形式多為等截面，為了避免腹板提前發(fā)生屈曲而降低梁的極限承載力，在設(shè)計(jì)時(shí)往往要控制腹板的高厚比。根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]，腹板的高厚比不應(yīng)超過250，且需要通過設(shè)置加勁肋提高腹板穩(wěn)定性。工程中的H型鋼，往往通過設(shè)置加勁肋來提高腹板的局部穩(wěn)定性。對(duì)于普通的鋼梁，腹板的用鋼量往往占鋼梁的總用鋼量的60%左右，而腹板本身主要承受的剪力較小，沒有充分利用其材料強(qiáng)度。另一方面，加勁肋與腹板和翼緣之間通常采用焊縫連接，過多的焊縫連接降低了鋼梁的疲勞強(qiáng)度，增加了人工成本，既不經(jīng)濟(jì)也不安全，而且施工復(fù)雜。針對(duì)這種情況，一部分結(jié)構(gòu)力學(xué)專家最初在分析深梁的腹板穩(wěn)定性問題時(shí)，認(rèn)識(shí)到平直腹板平面外剛度過低容易屈曲的缺陷，首先提出了在H型鋼或者工字型鋼中用波折腹板代替平腹板的建議。波折腹板H型鋼就是用波折腹板代替普通平直腹板，通過將平直腹板波折，能夠以較薄的腹板厚度為梁提供較大的平面外剛度和較高的抗剪切強(qiáng)度，同時(shí)減少了縱向加勁肋。波折腹板一般采取冷加工波折，這樣減少了焊接形成的焊縫，可以提高梁的疲勞壽命[7-9]。

波折腹板的截面形狀有正弦波形、梯形、矩形、折線形等[10]，如圖1所示。目前工程應(yīng)用主要以正弦波形和梯形為主。梯形波折腹板H形截面組合梁具有良好的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且無論從受力特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益角度都要優(yōu)于普通平腹板H型鋼。隨著波折腹板梁的優(yōu)點(diǎn)被人們不斷認(rèn)識(shí)，這種新型結(jié)構(gòu)形式的鋼梁將在工程中逐步被廣泛應(yīng)用。

2 波折鋼腹板的國內(nèi)外研究成果

2.1 國外主要研究成果

人們最早從20世紀(jì)50年代就開始了對(duì)波折腹板H型鋼的研究，通過大量研究發(fā)現(xiàn)：和普通平直腹板相比，波折腹板的主要優(yōu)勢(shì)在于極強(qiáng)的抗剪切能力。于是各國學(xué)者開始對(duì)波折腹板的抗彎性能、抗剪性能、疲勞性能等其他各個(gè)方面的性能進(jìn)行了研究，取得了部分成就。

1)抗彎性能研究。

在波折腹板梁的研究過程中，根據(jù)腹板所起的作用，國外專家學(xué)者對(duì)波折腹板的抗剪性能的研究要早于抗彎性能的研究。直到70年代，國外才開始對(duì)波折腹板鋼梁的抗彎強(qiáng)度開始進(jìn)行理論分析。

1979年，匈牙利的Korashy和Varga通過實(shí)驗(yàn)對(duì)波折腹板鋼梁與普通平直腹板鋼梁二者之間的抗彎強(qiáng)度區(qū)別進(jìn)行了對(duì)比分析[11，12]。

后來，德國學(xué)者Linder對(duì)腹板屈曲強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了研究[13]。馬來西亞的chan等學(xué)者也研究了在提高整體抗彎強(qiáng)度和翼緣屈曲強(qiáng)度方面，正弦波紋腹板比普通平直腹板突出的優(yōu)勢(shì)，研究和實(shí)驗(yàn)表明：與普通平腹板相比，波折腹板能為翼緣提供更有力的支持[13，14]。

2003年，埃及的Sayed-Ahmed等對(duì)梯形波折腹板鋼梁的側(cè)向穩(wěn)定性運(yùn)用有限元方法進(jìn)行了理論分析研究，研究得出：梯形波折腹板鋼梁的側(cè)向抗扭能力比普通平直腹板梁提高了15%～37%，波折腹板鋼梁仍可以采用普通平直腹板鋼梁的臨界彎矩公式，而且是偏安全的[15]。

2006年，Abbas等對(duì)梯形波折腹板工字型鋼梁在跨中集中力作用下的受力特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析研究，并且給出了在跨中集中力作用下，梯形波折腹板工字型鋼梁的整體穩(wěn)定計(jì)算公式[16]。

歐洲規(guī)范EC3[17]中，考慮到梁的承載能力受到翼緣彎扭失穩(wěn)的影響，在計(jì)算波折腹板鋼梁的抗彎承載力時(shí)，提出了通過強(qiáng)度折減系數(shù)對(duì)抗彎承載力計(jì)算值進(jìn)行折減。

2)抗剪性能研究。

隨著波折腹板逐步在實(shí)踐中得到應(yīng)用，各國學(xué)者也開始展露出對(duì)波折腹板的研究興趣。瑞典學(xué)者[18，19]從基本理論出發(fā)，針對(duì)平直腹板和波折腹板的剪切性能區(qū)別做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，也針對(duì)波折腹板H型鋼梁的幾何參數(shù)與剪切屈曲強(qiáng)度之間的關(guān)系做了分析。

Smith在1992年采用了相同波紋、不同腹板厚度的一組波折腹板H型鋼梁進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是腹板發(fā)生剪切屈曲破壞[20]。

3)抗疲勞性能研究。

相比于對(duì)波折腹板抗彎和抗剪性能的研究，國外對(duì)波折腹板H型鋼梁的抗疲勞研究較少，但也獲得了一些研究成果。1965年，英國通過做波紋腹板梁的破壞性試驗(yàn)，開始探索這種新型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[21]。20世紀(jì)80年代，Allan.B通過對(duì)波折腹板H型鋼梁施加單調(diào)和循環(huán)荷載來研究其疲勞性能[22]。2006年，Sauce等對(duì)梯形波折腹板H型鋼梁的抗疲勞性能進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞裂縫首先出現(xiàn)在受彎區(qū)腹板斜向段和梁翼緣焊接的部位，然后裂縫沿翼緣發(fā)展，波折腹板與有加勁肋的平腹板鋼梁比，抗疲勞性能有很大提高[26-28]。

2.2 國內(nèi)主要研究成果

我國原東北重型機(jī)械學(xué)院于1985年成功軋制出世界上第一根正弦波形波折腹板H型鋼。常福清教授等根據(jù)能量原理分析了正弦波形波折腹板H型鋼梁的屈曲性能，并推出了波折腹板的屈曲臨界力公式和塑性失穩(wěn)公式，并證明波折后的腹板具有良好的穩(wěn)定性[29,30]。

燕山大學(xué)的李艷文等運(yùn)用能量法分析了正弦波形波折腹板的抗屈曲性能，后來通過試驗(yàn)研究證明了自己之前的理論分析，對(duì)波折腹板H型鋼梁結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，并得出一些波折腹板H型鋼梁的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)[31]。

張哲，李國強(qiáng)，孫飛飛從彈性穩(wěn)定和彈塑性穩(wěn)定兩個(gè)方面對(duì)波折腹板的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。彈性分析中，提出了新的截面翹曲常數(shù)的計(jì)算方法，計(jì)算公式簡單，應(yīng)用方便，并經(jīng)有限元驗(yàn)證新的計(jì)算方法具有較高的準(zhǔn)確性。在分析彈塑性穩(wěn)定過程中，分析了梁的跨度、波折腹板的波高、波折傾斜段的傾角等參數(shù)對(duì)梁的穩(wěn)定承載力的影響，并通過有限元模擬，證明計(jì)算方法是準(zhǔn)確有效的[32]。

李時(shí)，郭彥林運(yùn)用非線性有限元分析方法，對(duì)波折腹板鋼梁在剪力作用下的破壞特點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，并且考慮了大變形與幾何初始缺陷，研究結(jié)果表明：波折腹板鋼梁的抗剪承載力明顯高于普通平腹板工字鋼梁[32]。

蔣萌，黃炳生考慮了幾何非線性和材料非線性，通過對(duì)設(shè)置加勁肋的鋼梁和折線形腹板鋼梁進(jìn)行有限元分析，研究折線形腹板鋼梁的受力性能，研究表明：折線形腹板的相鄰板件互相約束，提高了腹板的屈曲承載力，但強(qiáng)度還是比腹板設(shè)置加勁肋的鋼梁低，并且經(jīng)過試驗(yàn)分析研究后，有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)中測(cè)得的值吻合的較好[32]。

3 結(jié)論和展望

波折腹板H形截面鋼梁能夠以較薄的腹板厚度提供較大的平面外剛度，而且可以提高腹板的屈曲承載力。波折腹板相比于普通平腹板厚度較薄，可以節(jié)約大量鋼材以降低工程造價(jià)，工廠預(yù)制也加快了建設(shè)工期，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著科研人員和工程技術(shù)人員對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)形式的進(jìn)一步研究，波折腹板鋼梁必將具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。

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Outline on stress performance of corrugated web composite beam

Xu Delong Kai Xuan Cao Zhenji

(JiangsuNanjingHigherVocationalSchoolofEngineering,Nanjing211135,China)

The paper comparatively analyzes the physical properties of corrugated web steel beam and common plane web steel beam, analyzes corrugated web steel beam research achievements from three aspects of flexural performance, anti-shearing performance and anti-fatigue performance, and finally pints out advantages of corrugated web steel beam, such as safe, applicable and economic. Therefore, it will have great market development prospect.

corrugated web, steel beam, stress performance, buckling bearing capacity

1009-6825(2017)17-0045-03

2017-03-08

徐德龍(1988- )，男，助教

TU312

A