梯形波纹腹板梁的抗剪性能研究.doc

四川大学本科毕业设计 文献翻译 PAGE 19 梯形波纹腹板梁的抗剪性能研究 R.Luo B.Edlund 查尔姆斯技术学院,钢木结构部门,瑞典哥德堡,S-412 96 （收于1995年4月16日，发表于1996年1月3日） 摘要：本文利用非线性有限单元法对梯形波纹腹板梁的抗剪性能进行数值分析。采用一个满足冯·米赛斯屈服准则的完全弹塑性材料的模型，并且考虑大变形的影响。试验证明以下一些几何参数影响这类梁的抗剪强度：(1)腹板的外包尺寸；(2)腹板厚度；(3)腹板波纹深度；(4)波纹角度；(5)腹板平面副面板的厚度。更确切的说，这些几何参数不仅影响模型的极限抗剪强度，也影响处于屈服以及强化阶段的残余抗剪强度。基于这些数值结果，本文检验了以前提出的用于计算此类梁抗剪性能的经验公式，并且给出了这类抗剪梁优化设计的一些建议。 1.导言 板梁通常制成具有梯形或是其它形状的波纹腹板。腹板中的这些波纹使得板梁具有一种均匀分布的横向加劲。与具有加劲平面腹板的板梁相比,梯形波纹腹板梁可以利用更薄的腹板，因此可以用更少的成本获得更高的承载能力。除了制造上的便利，这个应该是此类板梁的应用不断增加(并且仍在增加)的最重要原因。 用于评估承载能力的基本原理是一种对考虑局部弯曲、钢构件的初始几何缺陷、制造过程中的残余应力以及材料的非线性时荷载-变形反应的可靠预期。然而，一直到20世纪60年代，弹性屈服依然被广泛作为板梁腹板设计的一个基础。这种假定是不现实，也是不经济的。从Basler以后，人们做了大量的试验和分析研究，用于研究细长腹板梁的承载能力。测试显示这种板梁具有较高的抗剪能力。在很多情况下，它都远高于弹性屈曲荷载。但对于波纹腹板梁的研究并不如加劲平面腹板梁这么广泛。Bergfelt等人对承受剪力的波纹板梁做了一些试验，Frey和Gachon分别测试了具有皱褶腹板和平滑波纹腹板梁在剪力作用下的材料弯曲。Linder也开展了类似试验，并且检验了其它研究者提出了各种公式。Hamilton则对承受剪力和弯曲力矩的波纹腹板梁进行了研究。 只到20世纪80年代，基于计算机的数值分析成果被应用于各种板梁承载能力的研究。Cescotto等人首创利用非线性有限单元法模拟这种板梁的剪力试验。在参考文献9和10中，Luo和Edlund 应用样条有限元法来研究具有梯形波纹腹板的钢板的弯曲性能，在参考文献11中，他们应用非线性有限单元法来研究承受局部荷载的梯形波纹腹板梁的强度极限。在参考文献12中，他们利用非线性有限单元法来模拟梯形波纹腹板梁的一系列剪切试验。在这些模拟中,考虑了大变形、初始缺陷和材料非线性的影响，并且与相应的测试结果获得了较好的满足。在参考文献12中，也提到了屈曲后的第一(不稳定)阶段，通长在短时间内发生，具有很大的突然性，很难在实验室条件下清楚的获得，尤其是那些从一个屈服模型转变为另一个模型时的突变现象。但是却可以通过数值模拟进行研究。 在这篇文章中，利用非线性有限单元法对梯形波纹腹板梁进行数值分析。重点研究几何和其它参数如何影响这种梯形波纹腹板梁的抗剪强度。在这个数值分析中，考虑了大变形的影响，并且采用了一个满足冯·米赛斯屈服准则的完全弹性橡胶材料的模型。除此之外，采用了与参考文献12中建立的非线性有限单元模型相似的模型，因此可以更加可靠的开展非线性有限单元分析。这篇文章的一个目的就是检验以前提出的用于计算抗剪能力的经验公式并且获得剪力梁的最优设计标准。 2.承受剪力和弯曲的板梁 为了与剪切试验中的板梁(参考文献13-15)相适应，采用一个典型的板梁，它的梯形波纹薄腹板焊接在一个相当厚的翼缘上，如图1所示：  图1:承受剪力的梯形波纹腹板梁 (a)几何参数和荷载 (b)波纹和翼缘尺寸符号 假定翼缘和竖向加强板具有足够的刚度，因此剪切变形将成为控制因素。此外，右半腹板要比左半腹板长20%，这使得左半腹板比右半腹板承受更大的剪力，因此弯曲得以在左半腹板存在并发展，最终导致梁的损坏。通过试验和数值分析，根据几何参数的不同，波纹腹板中可能发生以下三种失稳： 图2:通过试验和数值分析获得的梯形波纹板梁的失稳模型 (a)局部失稳(b)带状失稳(c)整体失稳 (a) 局部失稳：剪切失稳发生在波纹的局部平面上，并且仅局限于这一部分； (b) 带状失稳：剪切失稳的中间类型(处于局部失稳和整体失稳之间)，发生在某些波纹上，但是仅仅发生在钢梁某一深度上； (c) 整体失稳：剪切失稳发生在很多波纹上，有时伴随着荷载-变形曲线的突变，可能上升至屈服线。 图2举例说明了这三种不同的