基于蒙皮效应钢梁的静力性能研究

杜运兴　俞扬　孙倩

摘要：采用数值试验的方法分析了基于蒙皮效应的钢梁在静力情况下的力学性能.给出了该新型钢梁的应力分布情况，并与H型钢梁、箱型钢梁的承载能力进行了比较.研究表明，相同跨度、相同质量的新型钢梁具有更高的承载能力，并且随着跨度的增加，合理设计的新型梁的承载力具有更加明显的优势.

关键词：承载力；蒙皮效应；有限元分析；整体稳定；局部稳定

中图分类号：TU391文献标识码：AStudy on Static Behavior of Steel Beam Based on Membrane Effect

钢梁是钢结构中重要的受力构件，在结构中承担着重要的功能，在建筑结构中具有较多的应用，因而，降低钢梁的用钢量对整个结构用钢量的降低具有至关重要的作用，也符合绿色结构发展的要求.为了降低钢梁的用钢量，近年来出现了不少新型薄壁钢梁，如空翼缘梁、X形截面梁及空腹钢梁等.这些钢梁都不同程度地减轻了钢梁的自重.本文根据蒙皮效应的原理提出了一种更为合理的新型钢梁.薄蒙皮效应已被广泛应用于工程领域，许多学者对蒙皮效应进行了研究.例如美国学者Luttrell[1]在试验中考虑了反复荷载作用对蒙皮性能的影响，并提出了半经验的受力蒙皮板抗剪刚度公式；英国学者 Bryan[2-3]等针对蒙皮刚度问题进行了大量试验，最终给出了蒙皮板柔度、强度的计算方法.这些研究成果表明，考虑薄钢板的薄蒙皮效应后，可以显著地提高结构的刚度及承载力.基于蒙皮效应的钢梁就是通过在钢梁两侧设置薄钢板及内部支撑结构，充分发挥两侧薄钢板的蒙皮效应，以提高构件整体稳定性及刚度.

钢梁的稳定性直接影响其承载力，目前研究钢梁稳定性的方法主要有3类：第一类，采用理论方法进行推导，然后应用有限元理论进行复核.例如，童根树等对横向正应力对钢梁整体稳定性的影响采用板件稳定理论的方法进行了研究[4]；并应用非线性力学对稳定问题的变分原理，提出了受横向荷载的双轴对称截面梁的新的临界弯矩计算公式[5]，并用有限元软件复核.周芬等[6]采用能量理论推导了上下翼缘同时受荷的工字型钢梁整体稳定计算公式，并用有限元进行了分析.第二类，采用有限元进行分析，在此基础上进行归纳.这种方法往往适合理论公式难以推导的情况.例如，秦桦等[7]运用有限元程序，对单轴对称工字形截面悬臂钢梁的整体稳定性进行分析，得到悬臂梁弯扭屈曲的临界荷载.第三类，通过实验方法来研究钢梁的稳定性.例如，王亮等[8]通过对工字型截面组合钢梁整体稳定性实验结果进行分析，找出影响试验结果精度的因素.基于蒙皮效应的钢梁结构复杂，理论研究非常困难，采用数值实验研究更为方便，以下研究将采用数值实验分析新型钢梁的力学性能.

湖南大学学报（自然科学版）2013年第5期杜运兴等：基于蒙皮效应钢梁的静力性能研究1基于蒙皮效应钢梁的组成

减少用钢量原则：1） 在外部荷载作用下钢梁的各个组成部分尽可能地承受单向荷载效应，从而保证各个部件都能够发挥其承载能力；2） 要求梁结构内部的受压部件有足够的侧向支承，以便尽可能地减少失稳的可能性；3） 要求梁结构内部各个部件尽可能处于受拉状态，尽量减少失稳的可能性.因此，基于蒙皮效应的钢梁结构由3部分构成：竖向支承结构、侧面蒙皮板、上下翼缘板，这3部分是一个有机的整体，如图1所示（上部钢板及一端侧钢板没有显示）.