鄒文平,吳能森

(福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院,福建福州350008)

0 引言

波紋板做腹板的鋼梁或組合梁作為一種新型結(jié)構(gòu)形式在工程領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。波紋鋼腹板的工字型鋼或H型鋼梁體受力時,因波紋鋼板軸向剛度相對很弱,結(jié)構(gòu)上的彎矩和軸力均由上下翼緣承受,而剪力則主要由波紋鋼腹板承受,受力明確。由于波紋鋼板有較好抗屈曲性能,避免了平鋼腹板通常需要的加勁措施,還可以使用較薄的腹板達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。近幾年在歐美國家如德國、瑞典和美國應(yīng)用發(fā)展較快,較多的應(yīng)用于橋梁、房屋、工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)中。

波紋腹板H型鋼的腹板用鋼量一般僅占到整個構(gòu)件的25%左右,甚至可低至4%,腹板高厚比可以達(dá)到600[1-5]。本文采用有限元分析的方法,對采用波紋鋼腹板的H型鋼梁以及對應(yīng)的平腹板H型鋼梁進(jìn)行了分析,以了解其受力性能、受彎和受剪端的應(yīng)力分布、破壞形態(tài)的差異。

1 有限元模型的建立和驗證

采用有限元模型分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能首先要保證有限元模型的合理性,為了驗證有限元分析模型的正確性,選取了波紋腹板H型鋼(腹板為Q235,翼緣為Q345)的試驗數(shù)據(jù)(張哲等,2009[1])進(jìn)行驗證計算。試驗的主要數(shù)據(jù)如表1中所示,波紋腹板的波形參考壓型鋼板YX38-175-700(GB/T12755—91),取b=64 mm,d=23.5 mm,hr=38 mm,q=175 mm。對于Q235、Q345、Q390等建筑工程中常用的低碳軟鋼、鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,有限元分析中可采用二次流塑模型。

表1 波紋腹板H型鋼試驗試件數(shù)據(jù)

試件的邊界條件為簡支,在跨中施加集中荷載,跨中位置設(shè)置有橫向的支撐防止試件發(fā)生平面外的變形或失穩(wěn),跨中和支座位置設(shè)置加勁肋。有限元模型的邊界條件簡圖如圖1所示,l0為試件的計算長度。建立的有限元模型及其網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖1 邊界條件

圖2 有限元模型(GJ1)

圖3 計算結(jié)果與實驗對比

計算得到的荷載位移曲線如圖3所示,由圖3可見,本文計算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)吻合良好,彈性階段基本重合,峰值荷載與實測值相比略偏小;試件的破壞形態(tài)如圖3所示,兩個試件試驗觀測到的結(jié)果和本文有限元分析結(jié)果均表現(xiàn)為剪跨區(qū)域的斜向單波屈曲,可見本文計算得到的破壞形態(tài)與試驗中觀察到的破壞形態(tài)基本吻合,可以用于分析同類型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

2 有限元模型計算及分析

采用上述有限元方法考察波紋腹板H型鋼梁的受力性能。本文選取了表2中所示的算例進(jìn)行有限元計算分析,表中算例考慮了腹板的形式(平腹板和波紋腹板),腹板的寬厚比和試件的剪跨比等影響因素的變化,波紋腹板的波形和厚度取與試件GJ1一致。為了解彎矩作用下翼緣的受力狀態(tài)和剪力作用下腹板的受力狀態(tài),設(shè)計采用圖4a所示的加載邊界條件,試件兩端簡支,上翼緣四分點加載,加載點中間為受彎區(qū)段,兩側(cè)為剪跨區(qū)段。試件在支座處和荷載施加的位置設(shè)置了加勁肋以保證試件受集中荷載作用的位置不會提前發(fā)生破壞。有限元模型和網(wǎng)格劃分情況以試件BWL1和PWL1為例,如圖4b所示。

表2 鋼梁算例

圖4 計算模型簡圖

以兩個加載位置對應(yīng)的下翼緣豎向位移(如圖4)的平均值作為梁體的豎向位移,繪制了圖5所示的荷載-位移曲線,H型鋼梁的變形主要是剪跨段在彎矩和剪力作用下的變形引起的,剪跨段長的試件(BWL2和PWL2)初始變形剛度小于相應(yīng)剪跨段小的試件(BWL1和PWL1)。本文所選擇的波紋腹板梁算例和平腹板梁的荷載位移曲線基本吻合,但兩者的受力機(jī)理有顯著的區(qū)別：圖6所示為梁跨中截面不同梁高位置處的應(yīng)力分布,平腹板H型鋼梁的腹板縱向剛度較波紋腹板大,腹板與翼緣共同承受梁截面上的彎矩,截面應(yīng)力線性分布符合平截面假定,而波紋腹板縱向應(yīng)力很小對承受彎矩的貢獻(xiàn)不大,彎矩幾乎全由上下翼緣來承受。

圖5 荷載-位移曲線

圖6 梁跨中截面應(yīng)力分布曲線

試件BWL1和試件PWL1的破壞形態(tài)如圖7所示,均為剪跨段腹板發(fā)生受剪屈曲變形,其中試件PWL1剪跨段在彎矩和剪力作用下出現(xiàn)波浪形屈曲形態(tài)。純彎段沒有明顯的變形。由此可見,本文算例均由于剪跨段的屈曲而發(fā)生破壞,其中波紋腹板梁的屈曲是由剪力引起,而平腹板梁的屈曲則由彎矩和剪力共同引起。在工程中采用平腹板H型鋼梁時通常需要沿梁體設(shè)置一定量的加勁肋以保證腹板抵抗局部屈曲的能力,在實際受力過程中,腹板除剪跨段的屈曲外,也可能發(fā)生受彎局部屈曲。而波紋腹板H形鋼梁的受力更為明確,腹板主要承擔(dān)剪力的作用,彎矩由上下翼緣板承擔(dān)。在波紋腹板H形鋼梁受彎較大的區(qū)段不需要設(shè)置腹板加勁肋,若需要控制翼緣板的屈曲時可僅在受壓翼緣處設(shè)置三角加勁,在受剪力較大的區(qū)段,應(yīng)該通過選用適當(dāng)?shù)膶捄癖然蛟O(shè)置一定的加勁肋來保證腹板抵抗屈曲破壞的能力。

圖7 算例的破壞形態(tài)

3 結(jié)論

波紋腹板具有良好的抗屈曲性能,波紋腹板H型鋼梁的腹板對梁體受彎貢獻(xiàn)較小,純彎段彎矩由上下翼緣承擔(dān),腹板主要承擔(dān)梁體上的剪力作用。通過計算分析和對比本文主要得到如下結(jié)論：

⑴波紋腹板H形鋼梁的受力途徑更加明確,腹板主要承受梁體截面上的剪力,上下翼緣承受彎矩的作用。

⑵波紋腹板可能發(fā)生的破壞形態(tài)為腹板的受剪屈曲,或受壓翼緣的局部屈曲,設(shè)計時可僅在剪力較大的區(qū)段設(shè)置腹板加勁,而在翼緣受壓較大的區(qū)段僅需設(shè)置針對翼緣的加勁或增加翼緣厚度即可。

[1] 張哲,李國強(qiáng),孫飛飛.波紋腹板H型鋼梁變形性能[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,39(7)：27-29.

[2] Hamada Masaki.Manufacture and manufacturing roll for H-shaped steel possessing corrugated at middle part of web[R].Japan,1981.

[3] Abbas H H,Sause R,Driver R G.Analysis of Flange Transverse Bending of Corrugated Web I-Girders under In-Plane Loads[J].Journal of Structural Engineering,2007,133(3)：347-355.

[4] 常福清,張文志,吳波.波紋腹板工字鋼強(qiáng)度數(shù)值分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2005,20(2)：4-7.

[5] 宋建永,任紅偉,聶建國.波紋鋼腹板剪切屈曲影響因素分析[J].公路交通科技,2005,22(11)：89-92.

[6] 牛黎明,楊霞林.波形鋼腹板PC組合箱梁橋腹板平板長度的參數(shù)分析[J].河南城建學(xué)院學(xué)報,2009,18(3)：237-239.

[7] 王國周,瞿履謙.鋼結(jié)構(gòu)-原理與設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,1993.