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1、第20卷第2期上海铁道大学学报Vol.20,No.21999年2月JOURNALOFSHANGHAITIEDAOUNIVERSITYFeb.,1999工字形钢梁整体稳定性能的研究夏建国(上海铁道大学土木工程系,上海200331)摘要在广泛收集国内外试验资料的基础上,做了18片热轧工字钢梁试验,并用非线性有限元增量法编制计算程序;同时引进广义座标系对国内外216片梁试验数据进行重分析。提出对桥涵设计规范的修改建议,建议中引进改良长细比,使之能反映各种因素对梁稳定的影响,并使其形式能与现行桥规一致,便于应用。关键词工型梁,非弹性失稳,稳定性试验,有限元法分
2、类号U44自Michell研究矩形截面梁,并在1899年发表长梁在横向力作用下弹性稳定一文以来,已有近百年的历史。对于细长梁弹性稳定问题已建立了一套相对完备的理论,并为实验所验证。对于中长梁,失稳时截面的某些部分已经屈服,它属于非弹性稳定问题。非弹性稳定问题是几何与材料的双重非线性问题,其临界荷载不但要受初始缺陷、残余应力、荷载形式、加载位置、截面形式、材料特性、约束条件等因素的影响;而且还受到部分截面塑化后,梁的剪切中心和截面特性变化的影响。如何综合考虑各种影响因素,并根据梁非弹性失稳的工作状态来较精确地求其临界荷载,是有关学者一直试图解决的问题。早先,
3、Timoshenko和Bleich提出用折算模量或切线模量代替弹性公式中的弹性模量来求非弹性失稳临[1]界荷载。由于应用上有困难,Galambos为此引用了弹性核概念。Trahair指出:!由于残余应力存在,即使是双轴对称截面,部分截面屈服后,弹性核将变为单轴对称,其剪切中心和梁的截面特性随屈服区变化而[2][3]变化∀。Nethercot提出翼缘尖端的残余应力水平对非弹性稳定有较大影响。Chen和Atsuta则引用了折算截面替代折算模量,使问题得以简化。在理论研究的同时,Hechtman、Dibley、Fukmoto、Galambos等学者做了大量试验,以期
4、给理论研究及规范[4]修订提供可靠的依据。Hechtman做了33根普通轧制工字钢梁,以期验证失稳应力计算时能否略去翘曲[5]项,并了解其影响程度,Galambos做了5根低碳钢工字型钢梁,目的是确定梁保持稳定所需侧向支承间距;Heyman做了4根足尺焊接工字梁,为研究梁屈曲破坏的特点;Sawyer做了21根宽翼缘钢梁在集中荷载[6]作用下试验,对残余应力、初始缺陷、荷载偏心等因素进行试验分析;Dibley进行了30根55级高强轧制[7]工字型钢梁试验,目的是验证BS153、BS449中有关钢梁整体稳定的验算式;Fukumoto分别做了7根大型[8]焊接工字梁
5、、30根小型焊接工字梁和75根轧制工字型钢梁,对试验数据作了数理统计分析,给出了0.5Mu/Mp与(Mp/Mcr)关系曲线。尽管各国学者在非弹性稳定问题方面做了大量工作,但给出的非弹性失稳的解仍存在不少差别,这是因为采用了不同的基本假定和分析方法。本文介绍了笔者所做的18根工字梁试验及对国内外216根梁试验数据进行重分析的情况,并采用有限元法解非弹性稳定问题。118根热轧工字梁试验简介18根工字梁分别搁置在一对半圆弧形钢支座上,两端等伸臂处用液压千斤顶同步加载,为阻止支座#17#上海铁道大学学报
6、第20卷处和加载处横截面侧向位移和绕梁长度方向轴转动,在它们两侧用半圆弧侧支承夹住(见图1)。为减少摩擦力对实验结果影响,梁与支承之间加填聚氟乙稀板。每片梁跨间各取6个截面,布30个测点(贴应变片)。在跨中布机电百分表、线位移计、倾角仪;在每支座处各设两只百分表;在加载点设置压力传感器。试验中配置X-Y函数记录仪、动态电阻应变仪、静态电阻应变仪、UCAM数据自动采集机等。试验采用分级加载。两次预加载,每次分3个等级,每级荷载增量为纤维屈服荷载的五分之一。正式加载时,前几级为纤维屈服荷载的四分之一,进入弹塑性工作状态荷载增量逐渐减小,临近
7、失稳时荷载增量为0.5~1.0t。试验中,荷载加到失稳点时,液压千斤顶无法稳住,自动卸载;这可从压力传感器所采集的数据得到验证。此时,从自动绘图仪绘出的图形中发现水平位移显著增加,倾角也大幅度增加。由截面应变分析可知,受压翼缘的两肢,开始压应变同时增加,但由于不可避免的侧向初弯曲及加载偏心产生扭屈,在增长过程中,受压翼缘的两肢增长幅度出现不同,当达到失稳级时,一肢大幅度上升,另一肢较大幅度下降,下降肢达到最大压应变时的荷载为失稳荷载。用以上几种方法判断失稳荷载,它们之间的结果是相吻合的。部分梁片试验后侧向弯曲情况见图2。为了获得试验梁材料性能,做了16块标准拉
8、伸试件,材料取自试验梁翼缘板和腹板。1
