纵向筋端部的应力集中问题

房佳

摘 要：该文基于ANSYS有限元软件，以卸船机大梁上的翼板及翼板上的纵向筋为例，探讨纵向筋的端部设计。对端部设计中的一些参数：倒角和纵向筋板厚，进行了逐步分析，并且提出了结论。

关键词：纵向筋 应力集中 倒角

中图分类号：TK223.11 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（a）-0105-03

在大型薄壁钢结构中，我们经常能看到薄壁结构为了解决薄壁板的屈曲问题而增加纵向筋，比如抓斗卸船机或者集装箱岸桥门架或者前后大梁箱型截面；龙门起重机的主梁；大型薄壁圆管等，都在薄壁的腹板或者翼板上沿纵向增加角钢来保持薄板受压时不发生屈曲。纵向筋通常分为断开的和连续的2种，断开的纵向筋是指在靠近横隔板处或者其他不需要连续的地方截止；连续的纵向筋指的是纵向筋在遇到横隔板时依然保持贯通或者从两侧分别焊接在横隔板上。这里讨论的问题是断开的纵向筋端点处的应力集中问题，以及如何让载荷平顺地通过纵向筋的端点，这是每一个设计者在实际结构细节设计中都需要考虑的问题。在细部设计中，筋板的厚度、筋板在端点处的倒角等，都是设计应该考虑的参数。

为了便于说明问题，这里用ANSYS软件做了大量的有限元计算，来给该文的观点以支持。在这里，我们认为通过ANSYS软件计算的结构在单元划分合理的情况下，结果是可以用于比较与分析的。为了便于对各种不同的参数下的计算结果进行比较，所有的计算模型都采用了相同的边界条件即：相同的、有代表性的载荷和相同的约束。计算模型的不同仅体现在上述所说的端点的形状、筋板的厚度方面。

1 纵向筋端部倒角对翼板应力的影响

在设计中，当截面尺寸（宽、高、板厚）和载荷确定的时候，纵向筋的合理截面尺寸和布置尺寸也随之可以确定。纵向筋的布置基于2个方面的考虑：（1）防止翼板发生区间性的屈曲；（2）防止纵向筋和翼板组成的构件发生整体失稳。但是在被横隔板断开的纵向筋端部的翼板会形成一个应力集中区域，应力集中的大小取决于多种因素，如：纵向筋端部的形状、纵向筋终止点离横隔板的距离、纵向筋相对于翼板的截面占比（即相对板厚）等。该文主要探讨的是纵向筋端部形状和板厚对应力集中系数的影响。

图1所示为某抓斗卸船机前大梁的断面图。为了专注于纵向筋端部形状和截面占比对应力集中的影响，这里不讨论横隔板本身造成的影响。把一块未经倒角的板沿着受力方向焊接在一块平板（翼板）上（见图2），与之相比较的是一块经过倒角的纵向筋（见图3），平板所受的载荷相同的情况下，未倒角的纵向筋相对的平板上产生了更大的应力集中现象。见图4、图5，通过比较，可以看出由于纵向筋的截面变化引起了翼板上应力分布的变化，最为明显的是应力集中点的应力突然变大现象，截面变化更大的图4产生的应力集中现象也更严重。同时，两图中的横隔板应力分布也有轻微区别，这也是横隔板形状改变之后力流发生轻微改变的原因造成的。

2 纵向筋的相对板厚

在实际的结构设计中，我们选定了纵向筋的面积和惯性矩特征，但对于和翼板相连接的纵向筋板厚无从选择，这里给出一组简单的计算结果，从翼板的应力集中情况来选择合理的纵向筋板厚。

图6至图11是翼板为10 mm时，纵向筋板厚分别为6、8、10、14、16、20 mm厚时承受同样轴力情况下的部件应力图。

由图6至图11可知，在其他条件都不变的情况下，纵向筋的板厚增加会引起翼板的局部应力变大，应力集中系数由1.3增加至1.45。也就是说，纵向筋的板厚增加对翼板的应力集中具有负面影响。在设计时应该在满足设计条件的基础上尽量减小纵向筋和翼板连接处的板厚。

3 结论

理论上说，弹性体在受力截面形状发生变化时会出现应力变化，在截面或者局部形状出现突变时会出现急剧的应力变化。在一块受力板上打孔、切边、焊接钢板都是形状的突变，会造成应力集中现象。

为减小应力集中现象，最为有效的方法就是改善受力构件的局部形状突变。实施的方式就是让形状变化更缓一些，这样有助于应力的重新均匀分布。

把纵向筋的端部设计成倒角造型，是为了让整个受力截面在端部平缓过渡。可以预见，倒角越是平缓，翼板的应力集中现象越是缓和，越有利于降低翼板在局部的工作应力状态，从而可以提高翼板的整体应力利用状态，图3中纵向筋的端部倒角为1∶4。

同样，在其他条件不變的情况下，纵向筋的厚度增加让局部形状变化增大，从而使应力集中现象更加严重。因此，纵向筋的连接板厚减薄对缓解翼板应力集中有益。

4 结语

通过分析，对纵向筋端部的翼板应力集中情况有了一些了解；对在工作中考虑如何处理相关的细节设计有了一个思路；在考虑疲劳许用应力时也应当考虑翼板应力集中现象的影响。

参考文献

[1] 中国工程建设标准化协会组织编写.钢结构设计规范[M].中国建筑工业出版社，2006.

[2] 李黎.结构力学[M].华中科技大学出版社，2015.