波纹腹板H型钢梁的有限元分析＊

邹文平,吴能森

(福建农林大学交通学院,福建福州350008)

0 引言

波纹板做腹板的钢梁或组合梁作为一种新型结构形式在工程领域有良好的应用前景。波纹钢腹板的工字型钢或H型钢梁体受力时,因波纹钢板轴向刚度相对很弱,结构上的弯矩和轴力均由上下翼缘承受,而剪力则主要由波纹钢腹板承受,受力明确。由于波纹钢板有较好抗屈曲性能,避免了平钢腹板通常需要的加劲措施,还可以使用较薄的腹板达到节约钢材的目的。近几年在欧美国家如德国、瑞典和美国应用发展较快,较多的应用于桥梁、房屋、工业厂房等结构中。

波纹腹板H型钢的腹板用钢量一般仅占到整个构件的25%左右,甚至可低至4%,腹板高厚比可以达到600[1-5]。本文采用有限元分析的方法,对采用波纹钢腹板的H型钢梁以及对应的平腹板H型钢梁进行了分析,以了解其受力性能、受弯和受剪端的应力分布、破坏形态的差异。

1 有限元模型的建立和验证

采用有限元模型分析结构的力学性能首先要保证有限元模型的合理性,为了验证有限元分析模型的正确性,选取了波纹腹板H型钢(腹板为Q235,翼缘为Q345)的试验数据(张哲等,2009[1])进行验证计算。试验的主要数据如表1中所示,波纹腹板的波形参考压型钢板YX38-175-700(GB/T12755—91),取b=64 mm,d=23.5 mm,hr=38 mm,q=175 mm。对于Q235、Q345、Q390等建筑工程中常用的低碳软钢、钢材的应力-应变关系曲线,有限元分析中可采用二次流塑模型。

表1 波纹腹板H型钢试验试件数据

试件的边界条件为简支,在跨中施加集中荷载,跨中位置设置有横向的支撑防止试件发生平面外的变形或失稳,跨中和支座位置设置加劲肋。有限元模型的边界条件简图如图1所示,l0为试件的计算长度。建立的有限元模型及其网格划分情况如图2所示。

图1 边界条件

图2 有限元模型(GJ1)

图3 计算结果与实验对比

计算得到的荷载位移曲线如图3所示,由图3可见,本文计算结果与文献中的实测数据和计算数据吻合良好,弹性阶段基本重合,峰值荷载与实测值相比略偏小;试件的破坏形态如图3所示,两个试件试验观测到的结果和本文有限元分析结果均表现为剪跨区域的斜向单波屈曲,可见本文计算得到的破坏形态与试验中观察到的破坏形态基本吻合,可以用于分析同类型结构的力学性能。

2 有限元模型计算及分析

采用上述有限元方法考察波纹腹板H型钢梁的受力性能。本文选取了表2中所示的算例进行有限元计算分析,表中算例考虑了腹板的形式(平腹板和波纹腹板),腹板的宽厚比和试件的剪跨比等影响因素的变化,波纹腹板的波形和厚度取与试件GJ1一致。为了解弯矩作用下翼缘的受力状态和剪力作用下腹板的受力状态,设计采用图4a所示的加载边界条件,试件两端简支,上翼缘四分点加载,加载点中间为受弯区段,两侧为剪跨区段。试件在支座处和荷载施加的位置设置了加劲肋以保证试件受集中荷载作用的位置不会提前发生破坏。有限元模型和网格划分情况以试件BWL1和PWL1为例,如图4b所示。

表2 钢梁算例

图4 计算模型简图

以两个加载位置对应的下翼缘竖向位移(如图4)的平均值作为梁体的竖向位移,绘制了图5所示的荷载-位移曲线,H型钢梁的变形主要是剪跨段在弯矩和剪力作用下的变形引起的,剪跨段长的试件(BWL2和PWL2)初始变形刚度小于相应剪跨段小的试件(BWL1和PWL1)。本文所选择的波纹腹板梁算例和平腹板梁的荷载位移曲线基本吻合,但两者的受力机理有显著的区别：图6所示为梁跨中截面不同梁高位置处的应力分布,平腹板H型钢梁的腹板纵向刚度较波纹腹板大,腹板与翼缘共同承受梁截面上的弯矩,截面应力线性分布符合平截面假定,而波纹腹板纵向应力很小对承受弯矩的贡献不大,弯矩几乎全由上下翼缘来承受。

图5 荷载-位移曲线

图6 梁跨中截面应力分布曲线

试件BWL1和试件PWL1的破坏形态如图7所示,均为剪跨段腹板发生受剪屈曲变形,其中试件PWL1剪跨段在弯矩和剪力作用下出现波浪形屈曲形态。纯弯段没有明显的变形。由此可见,本文算例均由于剪跨段的屈曲而发生破坏,其中波纹腹板梁的屈曲是由剪力引起,而平腹板梁的屈曲则由弯矩和剪力共同引起。在工程中采用平腹板H型钢梁时通常需要沿梁体设置一定量的加劲肋以保证腹板抵抗局部屈曲的能力,在实际受力过程中,腹板除剪跨段的屈曲外,也可能发生受弯局部屈曲。而波纹腹板H形钢梁的受力更为明确,腹板主要承担剪力的作用,弯矩由上下翼缘板承担。在波纹腹板H形钢梁受弯较大的区段不需要设置腹板加劲肋,若需要控制翼缘板的屈曲时可仅在受压翼缘处设置三角加劲,在受剪力较大的区段,应该通过选用适当的宽厚比或设置一定的加劲肋来保证腹板抵抗屈曲破坏的能力。

图7 算例的破坏形态

3 结论

波纹腹板具有良好的抗屈曲性能,波纹腹板H型钢梁的腹板对梁体受弯贡献较小,纯弯段弯矩由上下翼缘承担,腹板主要承担梁体上的剪力作用。通过计算分析和对比本文主要得到如下结论：

⑴波纹腹板H形钢梁的受力途径更加明确,腹板主要承受梁体截面上的剪力,上下翼缘承受弯矩的作用。

⑵波纹腹板可能发生的破坏形态为腹板的受剪屈曲,或受压翼缘的局部屈曲,设计时可仅在剪力较大的区段设置腹板加劲,而在翼缘受压较大的区段仅需设置针对翼缘的加劲或增加翼缘厚度即可。

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