提高局部荷载作用下波纹腹板H型钢梁承载力研究

提高局部荷载作用下波纹腹板H型钢梁承载力研究

摘 要：针对局部荷载作用下的波纹腹板H型钢梁构件，运用ANSYS有限元进行非线性分析，通过与试验值进行对比，验证了本文有限元分析的正确性和可行性。在跨中局部荷载作用位置设置腹板横向加劲肋，非线性有限元分析结果表明构件承载力显著提高。这说明可运用设置腹板横向加劲肋的方式提高局部荷载作用下波纹腹板H型钢梁的承载力。

关键词：波纹腹板；局部荷载；非线性有限元；加劲腹板

引言

波纹腹板H型钢梁与平腹板H型钢梁相比，前者腹板稳定性好，具有明显的经济效益[1]。腹板失稳有可能导致波纹腹板H型钢梁破坏[2]，文献[2]介绍了12根局部荷载作用下的波纹腹板H型钢梁试验结果，12根构件跨度较小，均在2m以内，试件达到承载力极限状态时主要表现为腹板局部失稳。

本文首先运用ANSYS有限元[3]对文献[2]中的12根构件进行材料与几何非线性分析，有限元计算值与试验值进行对比，验证本文有限元计算值。然后在原构件基础上在局部荷载作用位置设置腹板横向加劲肋，再进行有限元计算，最后通过对比分析，研究腹板加劲肋对该类构件的影响。

1 有限元计算

本文采用参数化设计语言（APDL）建立有限元模型并计算求解。本文所选单元为shell181，采用多线性各向同性强化（MISO）建立材料本构关系曲线模型以便进行材料非线性分析。试验是通过在构件跨中上翼缘放置一块钢垫板对试件施加荷载[4]，为模拟钢垫板作用，本文对与钢垫板相接触的部分上翼缘节点的荷载作用位移方向（Y向位移）自由度进行耦合，位移耦合部分的翼缘占整个与钢垫板相接触翼缘的比例为2/3。参考文献[4]有关失稳分析过程，先对型钢梁进行特征值分析，提取第1阶失稳模式，考虑缺陷乘子，作为几何缺陷。接着采用弧长法进行几何非线性分析，当荷载与变形关系曲线达到第1个峰值时终止计算。提取计算峰值对应的荷载值即为波纹腹板H型钢梁极限承载力。

2 有限元计算验证

按前文所述方法，本文得到文献[2]中的12根构件极限承载力有限元计算值Fansys，Fansys与构件试验值Fexp比值如图1所示。

从图1可见，所有构件有限元计算值Fansys与试验值Fexp偏差不大于10%。计算表明，偏差平均值为-1.4%，偏差均方差为4.6%。很明显，Fansys与Fexp吻合较好，从而验证了本文有限元计算是正确和可行的。

3 增设腹板横向加劲肋后梁的有限元计算

对于平腹板H型钢梁，考虑提高承载力，在局部荷载作用位置，可在腹板两侧设置横向加劲肋[5]。类似的，对于波纹腹板H型钢梁，本文在原有构件（以下简称老构件）基础上，在跨中荷载作用位置增设腹板横向加劲肋，得到新构件（以下简称新构件）。新构件极限承载力有限元计算值为F’ansys。F’ansys与老构件极限承载力有限元计算值Fansys比值如图2所示。

从图2可见，与老构件相比，新构件极限承载力得到显著提高，12根构件承载力平均增加60%。以承载力提高约60%序号为4的构件为例，新老构件X向位移云图以及承载力极限状态下Von Mises应力云图如图3～图6所示。

如图4所示，X向最大位移点位于跨中荷载作用处附近的腹板上。在图3中，X向最大和最小位移点位于距离跨中半波长度腹板中部。Von Mises 应力是一种等效应力，可用于确定构件的危险部位。如图6所示，老构件荷载作用位置附近属于危险部位。在图5中，新构件危险部位位于距离跨中约半波长度的腹板上。

由对比可见，总体而言，增设腹板横向加劲肋影响了构件应力和位移分布，特别是改善了荷载作用处附近材料的应力和位移分布状况。新构件Von Mises 应力以及荷载作用平面外X向位移分布均较老构件均匀些，也就是说，当构件达到承载力极限状态时，新构件利用材料比较充分，从而有利于提高构件承载力。从另一角度而言，在荷载作用处的跨中腹板两侧设置横向加劲肋是一种比较经济的提高构件承载力的措施。

上文仅探讨了增设腹板横向加劲肋这一相对经济的构造措施对波纹腹板H型钢梁承载力的影响。除此之外，采取改变腹板波形、腹板和翼缘几何尺寸等措施都可能在一定程度上提高局部荷载作用下波纹腹板H型钢梁承载力，本文在此不作赘述。

4 结语

本文运用ANSYS有限元进行材料与几何非线性计算分析，探讨了跨中局部荷载作用位置增设腹板横向加劲肋对波纹腹板H型钢梁承载力的影响。本文涉及的波纹腹板H型钢梁跨度较小，增设腹板横向加劲肋显著提高了构件极限承载力。本文可为波纹腹板H型钢梁的深入研究以及有关工程设计人员提供参考。

参考文献

[1] 李清扬，孟丽丽，李颖，等.波纹与平腹板H型钢吊车梁特征值屈曲分析[J].煤炭工程，2013（6）：108-110.

[2] B.K?vesdi，B.Braun， U.Kuhlmann，L.Dunai. Patch loading resistance of girders with corrugated webs[J].Journal of Constructional Steel Research， 2010，66：1445-14.ANSYS? v12.0. Canonsburg，Pennsylvania，USA.

[3] 曾攀，雷丽萍，方刚.基于ANSYS平台有限元分析手册——结构的建模与分析[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4] 中华人民共和国建设部.GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

研究方向：钢结构研究。