陳希湘,朱嶸濤,何 康

(1.長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北 荊州 434020；2.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434000)

1 引言

鋁合金梁的設(shè)計類似于鋼梁,可以通過相對較薄的腹板來減少材料的用量。剪力作用下,腹板可能會產(chǎn)生局部屈曲的現(xiàn)象,影響了鋁合金梁的承載能力。鋁合金的彈性模量只有鋼材的三分之一,失穩(wěn)的問題比較嚴(yán)重。在實際設(shè)計中要考慮到鋁合金腹板的穩(wěn)定性。因此通過有限元法計算鋁合金梁腹板剪切屈曲的承載能力,得到鋁合金梁的設(shè)計思路。這樣就公式變得簡單清晰,也相對接近了鋁合金的特性,從而應(yīng)用也變得廣泛起來。

2 數(shù)值模型

圖1 有限元的模型

利用有限元方法進(jìn)行計算的時候,要考慮到板件面內(nèi)受彎穩(wěn)定性,鋁合金愛了系數(shù)和板件約束條件等幾個重要的參數(shù)都會對穩(wěn)定性帶來影響。板件受壓的寬度和板件本身寬度的比值是η,這個比值的計算方式是按照屈曲前的應(yīng)力分布,公式是η=hc/h,h是腹板的寬,hc代表的是腹板受壓部分的寬,有限元的模型如圖1所示。

表1 有限元計算參數(shù)

表1中有50種的參數(shù)組合情況,用有限元法計算。相同參數(shù)的板件要考慮到它們的寬厚比,一計算出承載能力隨著板厚度的改變。同一板件要分析它的臨界荷載以及極限荷載值。

3 鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的設(shè)計方案

全鋁合金模板工藝制作簡單,拼裝迅速,縮短了工期,加快了施工進(jìn)程。第二,模板體系中使用了早拆設(shè)計的方式,使得模板的周轉(zhuǎn)次數(shù)大幅增加[1]。

我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對梁腹板受彎屈曲設(shè)計中采用允許應(yīng)力法,把板件破壞分為屈服、彈性屈曲和塑形屈曲3中狀態(tài),按照板件的受破壞程度進(jìn)行求出允許應(yīng)力。我國在鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范處理薄板穩(wěn)定承載時并沒考慮到板的屈曲后強(qiáng)度。當(dāng)沒有考慮后屈曲強(qiáng)度可以防止板件屈曲發(fā)生較大的形變,在視覺上可以滿足要求。后屈曲強(qiáng)度可以使構(gòu)件板厚較小,經(jīng)濟(jì)上能節(jié)儉成本。

設(shè)計方案中,公式依照鋼機(jī)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式確定形式,公式中的參數(shù)作出了相應(yīng)修改,滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計的需求,系數(shù)修改是參照有限元計算結(jié)果進(jìn)行的,有充足的依據(jù)。表一中沒有給出n值,用強(qiáng)屈比fu/f0.2進(jìn)行表示。其中fu采用材料應(yīng)變?yōu)?.15的應(yīng)力值。n和強(qiáng)屈比的關(guān)系如表2。

表2 n和強(qiáng)屈比fu/f0.2的關(guān)系

3.1 不考慮后屈曲強(qiáng)度

當(dāng)不考慮板件后屈曲強(qiáng)度時,設(shè)計方法可以表述成：λb≤s1時,ρ=1；

當(dāng)s1〈λb≤s2時,ρ=1-0.75λb-s1

(1)

其中λb為腹板受彎計算時的通用高和厚的比。

薄壁梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)約束時：

λb=2hctw115f0.2200

(3)

未受約束時：λb=2hctw90f0.2200

(4)

其中hc代表腹板受壓部分的高,s2表示彈性屈曲和塑形屈曲的分界點,s2=fu/f0.2,其值小于或等于1.5；s1是屈服和塑形屈服分界,s1=1.8-0.8s2,以上方法計算得出的結(jié)果好有限元進(jìn)行對比。

3.2 考慮后屈曲強(qiáng)度時候

發(fā)生彈性屈曲的板件,屈曲后強(qiáng)度仍然很強(qiáng),如果能對這些板件加以回收利用,則能節(jié)省不少的經(jīng)濟(jì)成本。建議公式的計算結(jié)果相對而言準(zhǔn)確一些,只有個別構(gòu)件存在的誤差較大。

薄壁梁厚度非常小時,它的臨界屈曲強(qiáng)度隨之減小,后屈曲強(qiáng)度反而增大,強(qiáng)度值很高。因此在研究鋁合金屈曲強(qiáng)度時要從多方面入手,這樣能更好的把握鋁合金的材質(zhì)特點,減小經(jīng)濟(jì)開支,充分實現(xiàn)鋁合金結(jié)構(gòu)的功能妙用。

總而言之,在用有限元方式計算作為基礎(chǔ),充分考慮到材料性質(zhì)、板件寬厚程度、和外界約束條件的干擾,這樣才能全面分析鋁合金板件在面內(nèi)彎矩下的承載力度。設(shè)計方法是結(jié)合我國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)定中的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)[2]。依照鋁合金特殊性質(zhì)對一些公司進(jìn)行具體更改。設(shè)計中充分考慮到了板件間的約束作用,所以計算結(jié)果與有限元計算差別不大。另外鋁合金薄壁梁有著很好的屈曲后強(qiáng)度,應(yīng)對此加以重新利用。

[1]林凡.淺析鋁合金模板在高層建筑施工中的應(yīng)用[J].江西建材,2015(9)：55-56．

[2]石永久,程明,王元清.鋁合金梁中腹板剪切屈曲的設(shè)計方法[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2008,48(6)：918-921．