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变截面H型钢梁稳定性能试验研究：几何参数与循环荷载效应

一、绪论

（一）研究背景与工程意义

在现代建筑结构中，轻型门式刚架结构凭借其轻质高强、施工便捷、空间利用率高等优势，成为了工业厂房、仓库、展览馆等建筑的首选结构形式之一。变截面H型钢梁作为轻型门式刚架的核心受力构件，通过独特的楔形设计，能够巧妙地优化材料分布，使其更好地适应梁内弯矩的变化，从而在满足结构承载要求的同时，有效节省钢材用量，降低工程造价。然而，这种设计也带来了一些挑战。变截面H型钢梁的腹板通常设计得较薄，翼缘则相对较宽，这种几何特征虽然在材料利用上具有优势，但也导致了其稳定性能变得复杂。

薄腹板在承受压力时，更容易发生局部屈曲现象，而宽翼缘在受到侧向力或扭矩作用时，也可能出现侧向失稳的情况。这些稳定问题不仅影响着结构的正常使用，还可能威胁到结构的安全性。在实际工程中，结构往往会受到多种荷载的作用，除了常见的单调静力荷载外，循环荷载，如地震作用，也会对结构产生重要影响。地震作用下，结构会承受反复的拉压和弯曲作用，这对变截面H型钢梁的稳定性能提出了更高的要求。

当前，国内外对于变截面H型钢梁的研究，大多集中在单调静力荷载作用下的性能分析，针对循环荷载作用下的稳定性能及滞回行为的研究还相对匮乏。这使得在抗震设计中，缺乏足够的理论依据和数据支持，难以准确评估结构在地震作用下的安全性和可靠性。因此，深入研究变截面H型钢梁在不同受力状态下的稳定性能，揭示其稳定机理，具有重要的理论意义和工程应用价值。通过本研究，有望为变截面H型钢梁的设计和应用提供更加科学、合理的理论依据，从而提高结构的抗震性能，保障人民生命财产安全。

（二）国内外研究现状

单调荷载下稳定性能：在单调静力荷载作用下，众多学者对变截面H型钢梁的稳定性能进行了广泛而深入的研究。研究结果表明，腹板宽厚比、翼缘宽厚比、楔率等几何参数对梁的弹性承载力、极限承载力以及屈曲模式有着显著的影响。随着腹板宽厚比的增大，梁的局部屈曲风险增加，弹性承载力和极限承载力会相应降低；翼缘宽厚比的变化则会影响梁的侧向稳定性，较小的翼缘宽厚比可能导致梁在较小的荷载作用下就发生侧向失稳；楔率的改变会影响梁的弯矩分布和应力状态，进而影响其稳定性能。虽然目前已经取得了一些初步结论，但对于大宽厚比构件的弹塑性稳定分析，仍然存在许多需要完善的地方。在实际工程中，大宽厚比构件的应用越来越广泛，其弹塑性阶段的力学行为更为复杂，现有的理论和方法难以准确描述和预测，需要进一步深入研究。

循环荷载下研究缺口：相比之下，对于等截面梁在循环荷载下的滞回性能研究已经较为成熟。学者们通过大量的试验和数值模拟，深入分析了等截面梁在低周往复荷载作用下的受力性能、破坏模式、耗能能力以及延性退化规律等，为等截面梁的抗震设计提供了坚实的理论基础和实践经验。然而，对于变截面梁在循环荷载下的研究却相对滞后。由于变截面梁的几何形状和受力状态更为复杂，其在低周往复荷载作用下的局部屈曲、耗能能力以及延性退化规律等方面，尚缺乏系统性的试验数据和深入的理论分析。这使得在实际工程的抗震设计中，对于变截面梁的性能评估和设计方法选择，存在一定的盲目性和不确定性，迫切需要开展相关研究来填补这一空白。

（三）研究目标与内容

开展单调与循环荷载下的变截面H型钢梁稳定性能试验：精心设计并开展一系列变截面H型钢梁在单调静力荷载和循环荷载作用下的稳定性能试验。在试验过程中，仔细观察并记录梁的破坏现象，包括屈曲的起始位置、发展过程以及最终的破坏形态；精确测量并绘制滞回曲线，分析其耗能能力和延性特征；深入研究腹板宽厚比、翼缘宽厚比、楔率等关键参数对梁稳定性能的影响规律，为后续的理论分析和数值模拟提供可靠的试验数据支持。

建立考虑初始缺陷与残余应力的有限元模型：基于先进的有限元理论，采用专业的有限元软件，建立能够准确考虑初始缺陷和残余应力影响的变截面H型钢梁有限元模型。通过与试验结果进行对比验证，确保数值模拟方法能够准确预测变截面梁在不同受力状态下的稳定性能。利用该模型，进一步开展参数分析，深入研究各种因素对梁稳定性能的影响，拓展研究的广度和深度，为理论研究和工程设计提供有力的工具。

提出基于稳定承载力与延性要求的腹板宽厚比限值：综合考虑稳定承载力和延性要求，通过对试验结果和数值模拟数据的深入分析，运用科学的理论方法和统计手段，提出合理的腹板宽厚比限值。这一限值将为变截面梁的抗震设计提供具体、明确的建议，有助于工程师在设计过程中合理选择梁的截面尺寸，优化结构设计，提高结构的抗震性能和安全性，具有重要的工程应用价值。

二、变截面H型钢梁稳定理论基础

（一）稳定分析基本理论

板壳稳定理论：变截面H型钢梁由腹板和翼缘组成，其局部屈曲问题可视为弹性薄板在压弯组合作用下的屈曲