高强工字钢梁稳定承载力分析.pdfVIP

第十二届全国现代结构工程学术研讨会 高强工字钢梁稳定承载力分析 王洪涛王海忠冉克显杨意刘学春陈鸣飞 (北京工业大学建筑工程学院，北京100124) 摘要：本文阐述了高性能钢材的优点，并介绍了钢梁混合设计的概念，运用ANSYS有限元软件，分析了几何初始缺陷、 截面尺寸、钢材强度等因素对焊接高强工字钢简支梁的稳定承载力的影响。 关键词：高性能钢，混合钢，稳定承载，几何缺陷 一、概述 “十二五”期间，六大新材料将获得政府的重点支持，而高性能钢材就在其中。广义地讲，高性能钢材主 要包括高强度钢、耐候钢、高焊接性能钢、高韧性钢、抗强疲劳性能钢、耐震用钢(即低屈服钢、极低屈服 点钢)等。这些高性能钢主要有以下特点： 1)．材料强度高，设计自由度增大；例如可减少主梁片数以减轻自重，对于桥梁来讲可采用更矮的主梁以 增加桥下净空，．可增加跨度以减少水中墩。 2)．焊接性能得到改善，这在很大程度上消除了氢致开裂；预热温度的降低既减少了制作费用，也改善了 焊接质量。 3)．材料的高韧性，大大降低了在低温条件下结构发生脆断和突然失效的可能性，而且，高韧性也意味 着增大了对裂纹的容忍度，这就争取到更多时间在结构出现严重问题之前进行检测和修复。 4)．良好的耐候性，这保证了未油漆的结构在大气环境下能正常、长期地发挥功能，并节省整个服役期 内的养护维修费用。但如果给高性能钢一个更为严格的定义，则要求钢材在强度、焊接性能、韧性、延性、 耐候性和可锻造性能中找到一个较好的平衡点，使钢材既能充分发挥材料特性又具有经济性。 二、混合设计的概念 混合设计是指在梁的不同部位，根据受力状态和破坏形态，采用不同强度等级钢材组合而成的梁。目 前世界上美国对于混用钢梁的研究起步较早且研究比较深入，推广应用速度最快，欧溯方面对混用钢梁也 越来越重视，研究文献逐渐增多，相对而言国内对于混用钢粱的研究比较滞后，尚处于起步阶段。对两种 钢材合理搭配可以使两者的材料性能得到充分发挥利用，减轻结构自重，降低工程造价【7】。美国、日本新建 的一些桥梁在设计中充分利用了混杂设计(Hybrid Design)的概念。如日本1988年建成的与岛公铁两用桥， 在支点附近的上、下弦杆采用HT780钢，邻近的部分弦杆采用HT690钢，其余杆件则采用普通钢材；还有 美国的马丁河(MartinCreek)桥”】、福特城(Ford 杂设计。在积累了一些实桥数据后发现，采用HPS并实行混杂设计，与全部采用lIPS相比，可大约平均节 省10％的建桥费用，可见利用高强钢进行混杂设计具有良好的经济效应。 采用高强度钢，是节约钢材和减轻结构重量的措施，如果使用得当，还可以降低造价。一般来说，在 翼缘使用较高强度的钢材，而腹板则使用较低强度的钢材。这种梁比普通的组合梁更为经济。研究和应用 实践表明组合梁是一种经济合理的承重构件，具有显著的技术、经济效益和社会效益。 本文下翼缘采用高强钢Q460钢材，上翼缘和腹板采用Q345钢材，约束条件为简支，加载方式为跨中 工业建筑2012增刊 657 第十一届垒田现代结构I毪学术研讨会 集巾mⅡ载P，截面尺寸为270XISOXgXl0，野度为4．5米，如瑚一所示 图一混合钢粱示意圉 三、稳定承载力影响因素分析 本文采用BEAMl98单元进行建模，和用有隈元模型变化初始几何缺陷、器缘宽度、麒扳厚度、下翼级 钢材强度等因素进行分析．以得到各种影响因素对钢粱稳定承载力的影响． (一)=田始几何缺陷 由于实际工程中理想构件是不存在的，总会存在一定的初始缺陷，檠的实际临界荷载因此而降低¨Ⅱ2㈣ 分析过程中会同时计入材料非线性和几何非线性．几何非线性分析时，如不引入初始缺陷，在结构对称荷 载下，不能得到正确的极限荷蔽．园此要对理想有限元模型旖加一定的缺陷。初始缺陷主要包括初始儿何 缺陷和残余应力两个方面．本文只考虐初始儿何缺陷对极限承载力的影响。 采用+致缺陷法对已经建立好的理想有限元模型进行更新．更新后的有限元模型便完成了初贻缺陷的 施加．需分两步进行．第一步，对理