波折腹板组合梁的受力性能综述

徐德龙 开 璇 曹祯记

(江苏省南京工程高等职业学校，江苏 南京 211135)



波折腹板组合梁的受力性能综述

徐德龙 开 璇 曹祯记

(江苏省南京工程高等职业学校，江苏 南京 211135)

对比分析了波折腹板钢梁与普通平腹板钢梁的物理性能，从抗弯性能、抗剪性能、抗疲劳性能三方面，分析了波折钢腹板的研究成果，指出波折腹板钢梁安全、适用、经济，必将具有良好的市场发展前景。

波折腹板，钢梁，受力性能，屈曲承载力

1 概述

随着建筑行业的快速发展，钢结构的工程应用越来越多，对H型钢的需求也越来越大，2013年，国内钢结构需求量已达到3.65亿t，国内外的专家学者们对H型钢的研究也越来越深入。H型钢加工制作简单，安装拆卸方便快捷，性能优越，在工程建设领域的应用越来越广泛，如在桥梁、民用住宅、钢结构厂房、公路等工程领域中已得到广泛应用。在我国，H型钢只占钢结构用材的20%左右，具有较好的发展潜力[1-4]。

梯形波折腹板H形截面钢构件作为一种新型构件，不仅具有较高的强度、刚度和稳定性，还具有良好的经济性，在对产业化生产安装高要求的现代化社会，这种新型构件的优势正逐步被人们认识并开始应用于部分建筑中，可达到安全、适用、经济的效果。随着梯形波折腹板H形截面构件研究理论的日趋成熟，这种新型截面构件将会越来越多出现在工程领域中[5]。

目前建筑钢结构中，实腹式受弯构件绝大部分采用H型钢梁，普通平直腹板H型钢是由上下翼缘和中间的腹板构成，构件截面形式多为等截面，为了避免腹板提前发生屈曲而降低梁的极限承载力，在设计时往往要控制腹板的高厚比。根据GB 50017—2003钢结构设计规范[6]，腹板的高厚比不应超过250，且需要通过设置加劲肋提高腹板稳定性。工程中的H型钢，往往通过设置加劲肋来提高腹板的局部稳定性。对于普通的钢梁，腹板的用钢量往往占钢梁的总用钢量的60%左右，而腹板本身主要承受的剪力较小，没有充分利用其材料强度。另一方面，加劲肋与腹板和翼缘之间通常采用焊缝连接，过多的焊缝连接降低了钢梁的疲劳强度，增加了人工成本，既不经济也不安全，而且施工复杂。针对这种情况，一部分结构力学专家最初在分析深梁的腹板稳定性问题时，认识到平直腹板平面外刚度过低容易屈曲的缺陷，首先提出了在H型钢或者工字型钢中用波折腹板代替平腹板的建议。波折腹板H型钢就是用波折腹板代替普通平直腹板，通过将平直腹板波折，能够以较薄的腹板厚度为梁提供较大的平面外刚度和较高的抗剪切强度，同时减少了纵向加劲肋。波折腹板一般采取冷加工波折，这样减少了焊接形成的焊缝，可以提高梁的疲劳寿命[7-9]。

波折腹板的截面形状有正弦波形、梯形、矩形、折线形等[10]，如图1所示。目前工程应用主要以正弦波形和梯形为主。梯形波折腹板H形截面组合梁具有良好的强度、刚度和稳定性，而且无论从受力特点和经济效益角度都要优于普通平腹板H型钢。随着波折腹板梁的优点被人们不断认识，这种新型结构形式的钢梁将在工程中逐步被广泛应用。

2 波折钢腹板的国内外研究成果

2.1 国外主要研究成果

人们最早从20世纪50年代就开始了对波折腹板H型钢的研究，通过大量研究发现：和普通平直腹板相比，波折腹板的主要优势在于极强的抗剪切能力。于是各国学者开始对波折腹板的抗弯性能、抗剪性能、疲劳性能等其他各个方面的性能进行了研究，取得了部分成就。

1)抗弯性能研究。

在波折腹板梁的研究过程中，根据腹板所起的作用，国外专家学者对波折腹板的抗剪性能的研究要早于抗弯性能的研究。直到70年代，国外才开始对波折腹板钢梁的抗弯强度开始进行理论分析。

1979年，匈牙利的Korashy和Varga通过实验对波折腹板钢梁与普通平直腹板钢梁二者之间的抗弯强度区别进行了对比分析[11，12]。

后来，德国学者Linder对腹板屈曲强度的影响因素进行了研究[13]。马来西亚的chan等学者也研究了在提高整体抗弯强度和翼缘屈曲强度方面，正弦波纹腹板比普通平直腹板突出的优势，研究和实验表明：与普通平腹板相比，波折腹板能为翼缘提供更有力的支持[13，14]。

2003年，埃及的Sayed-Ahmed等对梯形波折腹板钢梁的侧向稳定性运用有限元方法进行了理论分析研究，研究得出：梯形波折腹板钢梁的侧向抗扭能力比普通平直腹板梁提高了15%～37%，波折腹板钢梁仍可以采用普通平直腹板钢梁的临界弯矩公式，而且是偏安全的[15]。

2006年，Abbas等对梯形波折腹板工字型钢梁在跨中集中力作用下的受力特点进行了理论分析研究，并且给出了在跨中集中力作用下，梯形波折腹板工字型钢梁的整体稳定计算公式[16]。

欧洲规范EC3[17]中，考虑到梁的承载能力受到翼缘弯扭失稳的影响，在计算波折腹板钢梁的抗弯承载力时，提出了通过强度折减系数对抗弯承载力计算值进行折减。

2)抗剪性能研究。

随着波折腹板逐步在实践中得到应用，各国学者也开始展露出对波折腹板的研究兴趣。瑞典学者[18，19]从基本理论出发，针对平直腹板和波折腹板的剪切性能区别做了相关的实验研究，也针对波折腹板H型钢梁的几何参数与剪切屈曲强度之间的关系做了分析。

Smith在1992年采用了相同波纹、不同腹板厚度的一组波折腹板H型钢梁进行了实验，实验结果是腹板发生剪切屈曲破坏[20]。

3)抗疲劳性能研究。

相比于对波折腹板抗弯和抗剪性能的研究，国外对波折腹板H型钢梁的抗疲劳研究较少，但也获得了一些研究成果。1965年，英国通过做波纹腹板梁的破坏性试验，开始探索这种新型结构的特点[21]。20世纪80年代，Allan.B通过对波折腹板H型钢梁施加单调和循环荷载来研究其疲劳性能[22]。2006年，Sauce等对梯形波折腹板H型钢梁的抗疲劳性能进行了破坏性试验研究，实验结果表明：疲劳裂缝首先出现在受弯区腹板斜向段和梁翼缘焊接的部位，然后裂缝沿翼缘发展，波折腹板与有加劲肋的平腹板钢梁比，抗疲劳性能有很大提高[26-28]。

2.2 国内主要研究成果

我国原东北重型机械学院于1985年成功轧制出世界上第一根正弦波形波折腹板H型钢。常福清教授等根据能量原理分析了正弦波形波折腹板H型钢梁的屈曲性能，并推出了波折腹板的屈曲临界力公式和塑性失稳公式，并证明波折后的腹板具有良好的稳定性[29,30]。

燕山大学的李艳文等运用能量法分析了正弦波形波折腹板的抗屈曲性能，后来通过试验研究证明了自己之前的理论分析，对波折腹板H型钢梁结构的尺寸进行了优化，并得出一些波折腹板H型钢梁的优化标准[31]。

张哲，李国强，孙飞飞从弹性稳定和弹塑性稳定两个方面对波折腹板的稳定性进行了研究。弹性分析中，提出了新的截面翘曲常数的计算方法，计算公式简单，应用方便，并经有限元验证新的计算方法具有较高的准确性。在分析弹塑性稳定过程中，分析了梁的跨度、波折腹板的波高、波折倾斜段的倾角等参数对梁的稳定承载力的影响，并通过有限元模拟，证明计算方法是准确有效的[32]。

李时，郭彦林运用非线性有限元分析方法，对波折腹板钢梁在剪力作用下的破坏特点进行了理论分析，并且考虑了大变形与几何初始缺陷，研究结果表明：波折腹板钢梁的抗剪承载力明显高于普通平腹板工字钢梁[32]。

蒋萌，黄炳生考虑了几何非线性和材料非线性，通过对设置加劲肋的钢梁和折线形腹板钢梁进行有限元分析，研究折线形腹板钢梁的受力性能，研究表明：折线形腹板的相邻板件互相约束，提高了腹板的屈曲承载力，但强度还是比腹板设置加劲肋的钢梁低，并且经过试验分析研究后，有限元分析结果和试验中测得的值吻合的较好[32]。

3 结论和展望

波折腹板H形截面钢梁能够以较薄的腹板厚度提供较大的平面外刚度，而且可以提高腹板的屈曲承载力。波折腹板相比于普通平腹板厚度较薄，可以节约大量钢材以降低工程造价，工厂预制也加快了建设工期，在工程实践中的应用越来越广泛。随着科研人员和工程技术人员对这种新型结构形式的进一步研究，波折腹板钢梁必将具有良好的市场发展前景。

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Outline on stress performance of corrugated web composite beam

Xu Delong Kai Xuan Cao Zhenji

(JiangsuNanjingHigherVocationalSchoolofEngineering,Nanjing211135,China)

The paper comparatively analyzes the physical properties of corrugated web steel beam and common plane web steel beam, analyzes corrugated web steel beam research achievements from three aspects of flexural performance, anti-shearing performance and anti-fatigue performance, and finally pints out advantages of corrugated web steel beam, such as safe, applicable and economic. Therefore, it will have great market development prospect.

corrugated web, steel beam, stress performance, buckling bearing capacity

1009-6825(2017)17-0045-03

2017-03-08

徐德龙(1988- )，男，助教

TU312

A