波纹腹板工字钢梁受弯性能研究

波纹腹板工字钢梁受弯性能研究

正是正波腹部板的工作形式截面梁，采用正德波的形状，其强度特点与普通工程截面梁不同，具有较大的高差和较高的抗剪切弯曲能力。同时局部承压承载力和抗疲劳性能也有所提高,因此该类型钢具有较高的承载力、稳定性及经济优势。关于波纹腹板工字形截面梁的抗剪承载力性能已有不少相关的国内外研究,如20世纪90年代初国外学者Hamilton、Elgaaly就对波纹腹板工字钢的抗剪承载力做了试验研究,国内学者常福清、郭彦林、李国强等也对该类型构件的抗剪承载力及破坏机理做了相关研究,相比之下,国内外对正弦波纹腹板工字形截面梁受力性能的试验研究则相对较少。正弦波纹腹板工字形截面构件在国外已被应用于各种钢结构体系中,但国内对这种新型构件的研究才刚刚起步,对此类构件的试验研究资料则更为稀少。本文进行了正弦波纹腹板钢梁的试验,对正弦波纹腹板工字钢梁抗弯承载力进行了研究。运用有限元软件ANSYS进行正弦波纹腹板工字形截面梁的数值模拟,并通过近似的截面抗弯承载力公式进行了验算。1试验加载及加载方案本试验共设计了两根波纹腹板工字钢梁试件,考虑了1种正弦波纹,翼缘包括2种尺寸,10mm×220mm、12mm×270mm钢板,腹板厚度分别为2.5mm、3mm,腹板高度分别为400mm、500mm。翼缘采用钢板牌号Q345,腹板均采用钢板牌号Q235。腹板和翼缘之间采用机械手单面融透焊缝。两根梁均在试验支座位置和加载位置设置了加劲肋,加劲肋与腹板及翼缘之间均为单面角焊缝。两根梁参数及试验结果基本相近,现就梁BW1进行抗弯承载力分析,构件的截面尺寸如图1所示,基本参数如表1所示,材料特性如表2所示。梁BW1设计为简支梁两点加载,试验加载方案如图2所示,在构件下翼缘距离构件边缘10cm的位置布置滚轮支座,一端焊死,一端自由放置,为防止梁发生水平侧向扭转变形,构件两端用夹具限制住支座的扭转,如图3所示。构件上、下翼缘支座以及加载点附近,贴单向应变片,测量翼缘弯曲正应变,腹板的不同高度贴应变片,应变片采用三片直角方式粘贴,腹板应变片均单侧放置。7个位移计分别测量试件的跨中位移,支座的水平位移、竖向位移和两端转角,试验装置简图如图4所示。在加载过程,第1步预加载至设计屈服荷载的10%,首先加载至50kN,缓慢卸载至传感器显示荷载为0,第2步进行分级加载,每级荷载为20kN,加载稳定20min后,进行下一级加载。2弹性模量和材料强度的确定采用ANSYS软件进行有限元数值模拟,所有单元选取Shell181壳单元,材料为理想弹塑性材料,弹性模量E取为2.06×105N·mm-2,板件的几何尺寸和材料的强度按照材性试验的实际结果取值。首先进行特征值屈曲分析,确定屈曲模态,将一阶屈曲模态乘以系数0.01作为初始缺陷。3试验现象与结果分析3.1大悬索梁自转台破坏梁BW1在加载初期跨中挠度随荷载增加的变化较为缓慢均匀,加载到360kN时支座处发生微小转角,500kN时加载点处受压翼缘向下凹屈破坏,随即跨中挠度迅速增大,梁承载力迅速下降,试件破坏,破坏形态如图5所示。3.2不同高度的腹板弯矩分布图6为试验和有限元得到的梁BW1跨中纯弯段正应力随梁高变化曲线图。由图6可以看出,沿梁的腹板高度方向正应力很小,几乎为零,在靠近翼缘处应力开始增长,翼缘处正应力出现徒增,说明弯矩几乎完全由翼缘承担,且在弹性范围内,上、下翼缘的应力基本呈直线分布。3.3弹性下的挠度图7为试验和有限元模拟的荷载挠度曲线对比图,可以看到梁的跨中荷载-挠度曲线在弹性范围内呈线性,进入塑性阶段后挠度仍有一定的发展,且从图5、图6中可以看出,试验和有限元模拟得出的翼缘极限应力值分别大于材料屈服强度的29%和48%,这说明波纹腹板工字钢梁表现出了较好的抗弯变形能力,并且具有较好的塑性性能。3.4试验现象与有限元分析的对比有限元分析梁中纯弯段应力云图如图8所示,有限元分析结果与试验现象较为接近(图5、图6),且有限元模拟的破坏形态与试验现象非常相似,如图9所示,这说明了有限元模拟的正确性。4截面受弯承载力波纹腹板H形钢梁在竖向荷载作用下,且在弹性范围内,上、下翼缘的应力呈直线分布。当上、下翼缘最外边缘纤维达到屈服强度后,塑性区逐渐向内发展,由于翼缘厚度相对较薄,所以很快达到全截面塑性状态,屈服弯矩和塑性极限弯矩相差很小,梁到达塑性极限弯矩后立即屈服。正弦波纹腹板工字形截面梁受弯时可认为腹板上基本无弯曲正应力分布,在平面内弯矩的作用下,其腹板几乎不产生正应力和剪应力,弯矩完全由翼缘承担,且在弹性范围内,上下翼缘的应力呈直线分布。为计算方便,可使用近似的截面受弯承载力公式:式中:Mu为受弯承载力,bf为翼缘宽度,tf为翼缘厚度,ffy为翼缘材料的屈服强度,h为上、下翼缘的形心的距离。根据式(1)计算得出正弦波纹腹板工字形截面梁的受弯承载力Mu为550.8kN·m,试验得出的极限弯矩Mt为500kN·m,这是由于试验中梁的侧向弯曲不能得到完全的约束,因此试验得出的极限弯矩值小于理论受弯承载力值,但理论值与试验值的误差小于20%,因此,可以认为此截面受弯承载力公式(1)可以用来近似求得梁的极限弯矩值。5工字钢梁抗拉受力性能(1)正弦波纹腹