韓 雪

(華僑大學(xué) 廈門(mén)工學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021)

薄壁鋼箱梁具有重量輕、材料省、抗彎和抗扭剛度大、安裝和養(yǎng)護(hù)方便、輕巧美觀等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于橋梁工程、海洋工程、高層建筑、重型廠房以及大跨空間鋼結(jié)構(gòu)建筑中.然而薄壁鋼箱梁的受力性能有其自身特殊性，特別是薄壁鋼箱梁的約束扭轉(zhuǎn)問(wèn)題一直備受工程界的關(guān)注[1-3].薄壁鋼箱梁在承受偏心荷載作用時(shí)，將產(chǎn)生對(duì)稱彎曲、剛性扭轉(zhuǎn)、畸變及橫向彎曲四種基本變形狀態(tài)[4].

通過(guò)全面考慮軸向變形、剪切變形、雙向彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形、截面翹曲變形和畸變變形影響的梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嘯5]，編制相應(yīng)的有限元計(jì)算程序，以分析設(shè)置橫隔板后薄壁鋼箱梁的受力性能.本文應(yīng)用有限元計(jì)算程序，研究橫隔板間距及偏心集中荷載作用位置對(duì)懸臂鋼箱梁受力性能的影響規(guī)律，探討橫隔板的布置方法，為實(shí)際工程設(shè)置橫隔板提供參考依據(jù).

1 有限元程序

基于廣義坐標(biāo)法原理和勢(shì)能駐值原理[6]推導(dǎo)出薄壁箱梁在任意荷載作用下，全面考慮軸向變形、剪切變形、雙向彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形、截面翹曲變形和畸變變形影響的薄壁鋼箱梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃?梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)力和對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)位移如圖1所示，圖1中標(biāo)出了梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移的正方向.廣義坐標(biāo)位移和結(jié)點(diǎn)力的正方向與扭轉(zhuǎn)位移對(duì)應(yīng)的θi為順時(shí)針時(shí)對(duì)應(yīng)一致.

圖1 考慮各種變形影響的薄壁鋼箱梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)力和結(jié)點(diǎn)位移

則梁?jiǎn)卧Y(jié)點(diǎn)i和j處的結(jié)點(diǎn)位移和結(jié)點(diǎn)力為：

Fe=[FiFj]T=[FuiQyiMziQzi-MyiFUi

FθiFχiFujQyjMzjQzj-MyjFUj

FθjFχj]T

有限元方程為

K(e)ue=Fe

(1)

式中K(e)為單元?jiǎng)偠染仃?，根?jù)有限元方程式(1)，編制了薄壁鋼箱梁的有限元計(jì)算程序.為檢驗(yàn)自編程序的計(jì)算精度，與ANSYS板殼單元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，詳細(xì)對(duì)比情況見(jiàn)文獻(xiàn)[7].比較結(jié)果表明，此自編有限元計(jì)算程序具有較高的求解精度，可用于設(shè)置橫隔板后薄壁鋼箱梁的受力性能分析.

2 橫隔板間距對(duì)懸臂鋼箱梁受力性能影響

本文分析模型取橫截面為□1400mm×500mm×12mm×25mm的懸臂鋼箱梁，梁長(zhǎng)L=10m，材料為Q235鋼.本節(jié)分析的懸臂鋼箱梁在自由端承受偏心集中荷載F=3×105N作用，如圖2所示.橫隔板布置間距分別取為L(zhǎng)、L/2、L/5、L/10、L/20.在翹曲正應(yīng)力分布圖中，橫坐標(biāo)為梁截面沿縱軸X方向的位置坐標(biāo)，例如橫坐標(biāo)為0代表薄壁箱梁固定端截面，橫坐標(biāo)為10代表薄壁箱梁懸臂端截面;縱坐標(biāo)為翹曲正應(yīng)力，翹曲正應(yīng)力的正負(fù)分別表示受拉與受壓.

圖2 懸臂端承受偏心集中荷載作用的懸臂鋼箱梁

為了分析薄壁箱梁分別在彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載、畸變荷載作用下橫隔板對(duì)薄壁箱梁翹曲應(yīng)力的影響，可把偏心的集中荷載分解成彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載、畸變荷載，具體分解方法如圖3所示.

圖3偏心集中荷載的分解方法

提取上翼緣和左側(cè)腹板角點(diǎn)A處的縱向正應(yīng)力，可得到橫隔板對(duì)懸臂鋼箱梁縱向正應(yīng)力的影響規(guī)律如圖4～圖7所示.

圖4彎曲荷載下彎曲正應(yīng)力分布圖

圖5扭轉(zhuǎn)荷載下翹曲正應(yīng)力分布圖

圖6畸變荷載下畸變正應(yīng)力分布圖

圖7偏心集中荷載作用下縱向正應(yīng)力分布圖

分析圖4～圖7可以得知：

(1)橫隔板對(duì)彎曲正應(yīng)力的影響較小，橫隔板不能起到減小彎曲正應(yīng)力的作用.

(2)橫隔板對(duì)畸變正應(yīng)力的影響較大，橫隔板可以有效減小畸變正應(yīng)力.由圖6可知，只要畸變荷載作用位置上布置橫隔板，薄壁鋼箱梁的畸變正應(yīng)力可減小到0.

(3)當(dāng)無(wú)橫隔板時(shí)，扭轉(zhuǎn)荷載作用下鋼箱梁橫截面的最大正應(yīng)力為1.71MPa；而畸變荷載作用下鋼箱梁橫截面的最大正應(yīng)力達(dá)29.76MPa，是扭轉(zhuǎn)荷載作用下的17.4倍.表明截面畸變效應(yīng)對(duì)薄壁鋼箱梁縱向正應(yīng)力的影響較大，在分析無(wú)橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時(shí)，截面畸變效應(yīng)不能忽略.

(4)在分析布置橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時(shí)，可重點(diǎn)分析扭轉(zhuǎn)荷載作用下橫隔板對(duì)薄壁鋼箱梁受力性能的影響規(guī)律.即把偏心荷載分解出扭轉(zhuǎn)荷載后，僅重點(diǎn)分析扭轉(zhuǎn)荷載作用下橫隔板對(duì)翹曲正應(yīng)力的影響規(guī)律.

3 偏心集中荷載作用位置對(duì)懸臂鋼箱梁受力性能影響

為研究偏心集中荷載作用位置對(duì)懸臂鋼箱梁受力性能影響，偏心集中荷載F的作用位置分別取L/5、2L/5、3L/5、4L/5.提取上翼緣和左側(cè)腹板角點(diǎn)A處的縱向正應(yīng)力，可得到偏心集中荷載F的作用位置對(duì)懸臂鋼箱梁縱向正應(yīng)力的影響規(guī)律.圖8、圖9分別為不同作用位置的偏心集中荷載F下，無(wú)橫隔板、橫隔板間距為L(zhǎng)/5的懸臂鋼箱梁縱向正應(yīng)力分布規(guī)律圖.

圖8 無(wú)橫隔板時(shí)懸臂鋼箱梁縱向正應(yīng)力

圖9 橫隔板間距為L(zhǎng)/5的懸臂鋼箱梁縱向正應(yīng)力

分析圖8、圖9可知：

(1)當(dāng)懸臂鋼箱梁不布置橫隔板時(shí)，在偏心集中荷載作用處截面縱向正應(yīng)力發(fā)生突變，致使荷載作用處兩側(cè)縱向正應(yīng)力分布規(guī)律發(fā)生變化.

(2)當(dāng)懸臂鋼箱梁布置間距為L(zhǎng)/5的橫隔板后，偏心集中荷載作用處到固定端間截面縱向正應(yīng)力為斜直線分布；而從偏心集中荷載作用處到懸臂端間截面縱向正應(yīng)力接近于0，與只有彎曲荷載作用時(shí)縱向正應(yīng)力的分布規(guī)律一致.

(3)偏心集中荷載作用下懸臂鋼箱梁的受力性能可采用如下簡(jiǎn)化分析方法：首先把偏心集中荷載分解為彎曲荷載、扭轉(zhuǎn)荷載、畸變荷載；其次，根據(jù)扭轉(zhuǎn)荷載作用下懸臂鋼箱梁翹曲應(yīng)力的分布規(guī)律，確定橫隔板的設(shè)置方法；最后，僅需分析彎曲荷載及扭轉(zhuǎn)荷載作用下，懸臂鋼箱梁的縱向正應(yīng)力，此時(shí)可忽略畸變荷載的作用效應(yīng).

4 結(jié)論

(1)橫隔板對(duì)彎曲正應(yīng)力的影響較小，橫隔板不能起到減小彎曲正應(yīng)力的作用.

(2)橫隔板對(duì)畸變正應(yīng)力的影響較大，橫隔板可有效減小畸變正應(yīng)力.

(3)截面畸變效應(yīng)對(duì)薄壁鋼箱梁縱向正應(yīng)力的影響較大，分析無(wú)橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時(shí)，截面畸變效應(yīng)不能忽略.

(4)分析布置橫隔板的薄壁鋼箱梁受力性能時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析扭轉(zhuǎn)荷載作用下橫隔板對(duì)薄壁鋼箱梁受力性能的影響規(guī)律.

(5)提出了偏心集中荷載作用下懸臂鋼箱梁受力性能的簡(jiǎn)化分析方法.

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