腹板屈曲后强度计算

腹板屈曲后强度计算

作者：屈明

来源：《科技创新导报》2011年第21期

摘 要:《钢结构设计规范》(GB50017-2002)4.3.1条, 不考虑腹板屈曲后强度的焊接工字钢梁的腹板局部稳定计算与考虑腹板屈曲后强度的焊接工字钢梁抗剪、抗弯承载力计算。引用了具体实例说明腹板屈曲后强度的应用。从受压翼缘压入腹板来分析腹板高厚比的最大限值, 其次分别论述腹板受弯或压弯屈曲后有效宽度的确定、受剪屈曲后的极限剪力计算、以及正应力和剪应力联合作用下屈曲后相关关系的计算。

关键词:腹板宽厚比屈曲后强度有效宽度拉力场

中图分类号:TU391 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2011)07(c)-0048-02

在钢结构设计中, 对工字型截面受弯构件而言, 由荷载产生的弯矩主要由翼缘承担, 腹板主要承担剪力, 腹板的抗弯作用远不如翼缘有效, 增大腹板的高度可显著增加翼缘的抗弯能力。因而, 先进的设计方法是采用高(宽) 厚比较大的腹板, 从而获得最佳的经济效益。此做法虽然会出现腹板的高(宽) 厚比超过按小挠度理论确定的局部稳定所要求的限度, 引发腹板的局部屈曲, 但并不表明构件丧失了承载能力, 而是有相当可观的屈曲后强度可以利用。规范对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度, 按考虑腹板屈曲后强度来计算梁的抗剪和抗弯承载力, 而不再验算腹板的局部稳定。对于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或不考虑腹板屈曲后强度的焊接工字梁, 要求按规定配置加劲肋, 并验算腹板的局部稳定性。规范采用有效截面法考虑腹板屈曲后强度, 同时也是符合钢结构设计规范4.3.1条。

天津西站无站台柱雨棚工程主体结构大部分构件(拱形钢梁) 均采用了腹板高而薄的焊接H 型工字钢梁和焊接箱型钢梁。充分利用了腹板屈曲后强度、有效截面的概念, 既得到了很大的经济效益, 又达到了建筑美观的要求。

西站雨棚整个结构体系为纵向(顺股道向) 刚架, 横向(垂直股道向) 为多跨拱形钢梁, 基本柱网为30mx21.5m 。雨棚分东西两部分(Y-1至Y-6轴和Y-7至Y-12轴), 两部分的宽度均为138m, 长度均为290.75m, 总高度为18m 。东西雨棚均在纵向设置温度缝二道, 在Y-M 与Y-L 轴之间设置一道温度缝, 在Y-C 与Y-D 轴之间设置一道温度缝, 最大温度区段长度为150m, 宽度为138m 。雨棚纵向钢梁采用两榀实腹箱形钢梁, 截面规格为Φ1500x300x12x14。中部横向钢梁为变截面拱形实腹工字钢梁, 截面分为Η(1500～500)x220x8x12和Η(1700～1500)x220x12x12两种规格。边部横向钢梁为焊接变截面箱形钢梁加T 形钢结构, 规格为Φ(1500～500)x220x8x12和 T350x220x6x8。刚架柱主要采用4根钢管混凝土柱, 截面为4Φ351x14。如附图1、2。

变截面拱形实腹工字钢梁, 局部钢梁腹板高度高达1700mm, 厚度仅为12mm 。以下仅举一例, 来阐述腹板局部稳定和屈曲后强度的应用。

次梁截面规格Η(1700～1500)x220x12x12。计算方法1:按压弯构件计算。由钢结构规范

5.4.2条计算, 允许高厚比为54.5, 而实际高厚比为139, 超过了允许值, 由钢结构规范5.4.6条, 利用腹板屈曲后强度概念, 得到腹板计算高度边缘两侧的宽度各为为有效截面, 进行强度与平面内、外整体稳定计算, 均满足要求。计算方法2:按受弯构件计算, 由规范4.3.1条, =66,应按4.3.3计算腹板的局部稳定性, 经计算, 也满足要求。

以上对于次梁Η(1500～1700)x220x12x12腹板局部稳定的计算分别采用了两种不同的方法。一种方法是利用腹板屈曲后强度, 采用有效截面对构件进行强度、稳定计算; 另一种方法是不考虑腹板屈曲后强度, 通过配置加劲肋, 计算腹板局部稳定。充分体现了规范4.3.1条的应用。 通过西站无站台柱雨棚的设计, 本人在腹板局部稳定和屈曲后强度的利用两方面颇有心得, 写出来愿与大家共同学习。

1 腹板高厚比的限值

增大腹板的高厚比有一定的限度。腹板过薄时不足以承托受压翼缘, 以至受压翼缘在压力大时向腹板一侧屈曲, 所以腹板高厚比的限值一般为。

2 腹板受弯、压弯屈曲后有效宽度的确定以及抗弯强度(正应力) 、抗剪强度(剪应力) 以及正应力、剪应力联合作用下的计算

2.1 有效宽度的确定

板件受压屈曲后的承载潜力, 主要取决于板的宽厚比。宽厚比愈大, 板的临界应力和材料屈服强度之间的差距愈大, 屈曲后强度也就愈大。对于完善的平板, 只要临界应力低于就有屈曲后强度可利用。四边简支的受压板件屈曲后, 压应力在板截面上的分布是不均匀的, 而是边部应力大, 中部应力小。中部应力在达到后不再增大, 甚至会有些下降。当板边部压应力达到屈服强度时, 板即临近承载力极限, 实际设计工作中即以板边缘屈服作为极限状态。由于中部应力低, 可以近似认为板件只有两边各宽的部分起作用, 其应力达到。就叫板的有效宽度。由此有了有效截面的概念。

2.2 受弯腹板屈曲后抗弯强度(正应力) 计算

对工字形梁的受弯腹板, 腹板受压屈曲后的弯矩还可继续增大, 但受压区的应力分布不再是线性的, 其边缘应力比线性分布要大, 当达到时, 即认为达到了承载力极限。此时梁中和轴略有下降, 腹板的受拉区全部有效, 受压区有效宽度可认为均分在受压区的上下区, 腹板所能承受的弯矩即取这一有效截面, 按应力线性分布计算。

考虑到腹板屈曲后使梁的承载力下降并不多, 在计算梁屈曲后的强度极限弯矩时, 可采用近似公式来计算。GB50017规范采用的近似计算方法是把梁截面模量乘以折减系数, 公式中各符号意义如下: