Q460钢双跨连续梁稳定性研究

屈海东

（甘肃钢铁职业技术学院，嘉峪关 735100）

Q460高强度焊接工字型截面双跨连续梁是现阶段连续梁结构施工建设中常见的一种结构类型。针对稳定性进行测试是双跨连续连结构在实践应用中充分发挥作用的重要前提条件。在具体的试验流程组织规划中，主要应用有限元分析方式对连续梁结构的稳定性进行模拟分析，确认影响稳定性的主要因素，进一步采取有效措施提升连续梁结构的稳定性。

1 Q460高强钢双跨连续梁稳定性试验的要点分析

1.1 试件设计分析

试验工作的开展需要依托试件作为基础，因此在实践设计的合理性和有效性上，需要达到一定的水平层次。在具体的试件设计过程中，结合Q460高强度钢的基本性质，需要在试件的厚度上进行合理控制。通常情况会选用厚度为3 mm的Q460级热轧钢板作为试件设计的基础。设计时钢板加工采用线切割法进行初步加工。焊接试件时，为了降低残余变形现象的发生率，需辅助借助定位装置固定钢板，加工完成后继续涂抹防锈蚀的化学材料，防止锈蚀现象的发生[1]。

此外，为了防止试件本身发生局部的屈曲现象，在设计过程中需结合规范为GB 50017—2017的钢结构设计标准进行钢截面受压翼缘外伸宽度和厚度的有效控制保证。具体的宽度与厚度比值要求计算公式如下：

式中：b为钢截面受压翼缘外伸厚度；t为钢截面受压翼缘外伸厚度；h0为钢结构中腹板计算高度；fy为钢材的屈服强度。

1.2 材性试验分析

材料属性的检验也需要严格按照相应的标准规范要求进行。在弹性试验中，切割方式仍然选用线切割，通过截取方式形成独立的标准件。通过试件操作明确Q460高强度钢的应力应变变化状态。材性试验的结果显示，Q460高强度钢的应力应变状态与低碳钢具有显著的相似性[2]。

2 试验装置类型与测量内容分析

2.1 试验装置类型分析

针对Q460钢结构的稳定性试验装置主要包括支座装置和加载装置两部分。在做好基础装置准备后，进行测量点的规划和布置，为顺利完成试验过程提供帮助。在支座装置的准备工作中，需结合双跨连续梁的结构特征选用夹支支座。支座的底部用固定角钢结构起到约束作用，以防止截面处竖向移动。支座设计需结合应用专业的设计软件形成初步模型，如图1所示。

加载装置的设置过程中，当试件的整体稳定度下降时，加载点的截面会同步出现竖向和侧向位移。失稳时间的延长还会进一步导致试件出现扭曲变形的问题，因此在加载应力时应当注重加载方向加载力度的合理控制。加载方式以重力加载为主导，通过设置环状装置使得试件的荷载补充状态更加稳定。另外，环状加载模式能保证加载方向本身的稳定性。

2.2 测量点的布置与测试内容分析

位移指标是与稳定性和安全性相关的关键指标。试件出现失稳状态时，位移指标会发生相应的变化。因此，在试验测量过程中，位移指标是需要关注的关键指标。但是，在试件结构中，位于跨中加载点上的位移无法实现直观测量。因此，通过观察加载板的两侧区域焊接引出杆为判断提供参考。

2.3 试验结果简要综述

总结试验结果时，通过形成荷载位移相关曲线图达到数据分析的目标，分别从竖向和横向两方面分析研究实践应用中的梁结构稳定性。加载初期，试件的位移指标与荷载力的增加状态呈现出正比关系；若荷载进一步增加，初始阶段形成的缺陷会使试件的高度出现下降，这时位移速率显著增大，荷载与位移的关系转变为非线性状态；到了加载的最后阶段，位移会迅速出现增大趋势。当加载到最后阶段，表明试件已经出现弯曲失稳的破坏性问题，荷载指标已经达到极限状态[3]。

3 Q460高强度钢双跨连续梁稳定性的有限元模拟分析

3.1 有限元模型的构建

建立有限元模型时，需要考虑材料属性、结构特征以及加载形式等多方面的因素。合理选择相应的单元类型，可为有限元模型的构建提供支持。随后结合实际，按照网格尺寸构建规格合理的几何模型，得到最终的有限元整体模型。其中，在单元类型的选择环节需要注意的要点有以下两个内容。第一，合理选择单元类型。结合探讨的实际分析可知，在单元类型选择时，可选的类型包括实体单元、梁结构单元以及壳单元。第二，注重网格划分与边界条件的合理设置。网格划分是在初步模型构建完成后，在进行后续工作划分过程中，注意网格划分的精确度和细致性。一方面要避免划分精确度过高，导致时间成本上升。另一方面，要以计算结果的精确度作为考量指标，有效控制网格划分的密度。本文研究中设定的网格单元面积为 10 mm×10 mm[4]。

关于双跨连续梁的边界条件设置，需要结合主跨的边支座截面设置约束节点。关于材料属性的有限元设计，研究中应用多折线模型进行钢材应力应变曲线的模拟，通过检测方式对Q460高强度钢应力应变曲线中的强化阶段和屈服阶段进行明确，构成三折线模型结构。

3.2 有限元分析的整体过程

本文的分析研究需借助专业的有限元分析软件，设置求解结构稳定性的实际问题，以数据分析的方式完成有限元整体分析过程。分析中，主要针对构建跨中位置的单位荷载特征进行分析，随后获取构建的临界屈曲荷载和阶段性屈曲模态，再通过提取命令的方式，结合初始缺陷因素的影响，通过计算获得阶段性屈曲模态方向上的变形值与区模态之间的比例关系。同时，需输入基础材料属性与残余应力的指标进行综合分析，获得跨中位置上的荷载位移曲线数据。

3.3 主跨跨度与跨度比指标对稳定性的影响状态分析

在影响因素方面，跨度比指标与主跨跨度对双跨连续梁的稳定性影响显著。这主要是由于各个阶段梁结构之间本身会产生相互约束。约束状态下，整体量结构的稳定性和承载力会同步受到影响，因此需要引入跨度比的相关参数，通过量化数据分析的方式对影响状态进行有限元分析。具体来说，有限元非线性分析过程中，稳定度的表示指标为扭转刚度系数，具体的计算公式如下：

式中：GJ为截面的自由扭转刚度；EIw为截面的翘曲刚度指标；L12为双跨连续梁的主跨长度指标。

在实践计算过程中，若主跨跨度不发生变化，则扭转刚度系数会保持不变，这时双跨连续梁的极限弯矩会随着跨度比的增加降低。

4 以受弯构件为例探讨Q460钢结构构件的整体稳定性设计方式

4.1 结合设计标准的基础构件稳定性计算方法分析。

《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）是本文研究中设计工作开展时主要依据的标准化文件。Q460钢材也是现阶段桥梁工程建设中推荐使用的主要原材料类型，受弯构件的整体稳定性设计在实践中需要以最大高度为参照指标，对受弯构件的稳定性进行计算，计算公式如下：

式中：Mx为绕墙轴的最大弯矩设计值，N·mm；Wx为绕墙轴地梁毛截面模量，mm3；fb为刚才的抗曲弯强度设计值，N·mm-2；φb为量体的整体稳定性系数。

量体稳定性系数的具体计算公式如下：

式中：MCr为简支梁的弹性临界弯矩指标。

式中 ：β1、β2、β3分别为固定系数值 ；EIy、GJ、EIω分别为界面的侧向抗弯刚度、自由扭转刚度和翘曲刚度；y0为剪心纵向坐标；I1、I2分别为受压或受拉翼缘对y周的惯性矩；a为荷载在界面上的作用点的纵向坐标到剪心纵坐标的差值。

4.2 双跨连续梁弹性临界弯矩计算方法

在计算这项数据指标的过程中，由于Q460高强度钢的生化连续梁极限弯矩的变化会影响量体结构的稳定性，因此需要针对临界弯矩进行有效准确的计算。若整体结构为双轴对称截面，则需要保证βy取值为0。随后查询相关的标准化数据表格，可得简支梁跨的中点荷载状态下β的取值可分别设置为1.35、0.55和0.40，代入相关公式计算得出在集中荷载作用下有限元特征值屈曲分析结果。

结合抛物线方程进行计算可知，跨度比的取值差异会影响扭转刚度系数和双跨连续梁弹性临界弯矩指标。临界弯矩与主跨区域的简支梁临界弯矩比值表达式为：

式中：A、B、C、D分别为系数指标，会随跨度比的变化而变化；MC为集中荷载背景下双跨连续梁弹性临界弯矩指标；MCr为集中荷载作用下主跨部分作为简支梁的弹性临界弯矩[5]。

计算稳定性时，结合公式的数据结果和标准化数据图表的查验结果，可实现对Q460钢双跨连续梁结构的稳定性系数的计算，并将分析计算结果应用于双跨连续梁结构，使整体的连续梁结构设计效果更加合理有效。

5 结语

通过分析可知，在Q460钢结构应用的背景下，双跨连续梁稳定性研究需要针对影响稳定性的相关技术，结合标准化Q460钢结构应用设计要求进行相应的数据设计与分析。具体的工程项目施工建设中，应当结合前期的设计要求和Q460钢结构的标准化设计数据指标完成稳定性设计。