【摘 要】
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用波形钢腹板代替传统的平腹板是对工字梁的一种改进,波形钢腹板工字梁可以大大降低梁的制造成本和上部结构的重量,提高预应力加载的效率,弥补传统的加劲肋平腹板抗弯性能差、容易疲劳破坏等缺点。目前关于传统平腹板工字梁的侧向弯扭屈曲众多学者已经进行了大量的研究工作,而关于具有离散扭转支撑的波形钢腹板工字梁的侧向弯扭屈曲还未进行深入的研究。本文采用理论推导、有限元模拟的方法,对具有离散扭转支撑的波形钢腹板工字
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用波形钢腹板代替传统的平腹板是对工字梁的一种改进,波形钢腹板工字梁可以大大降低梁的制造成本和上部结构的重量,提高预应力加载的效率,弥补传统的加劲肋平腹板抗弯性能差、容易疲劳破坏等缺点。目前关于传统平腹板工字梁的侧向弯扭屈曲众多学者已经进行了大量的研究工作,而关于具有离散扭转支撑的波形钢腹板工字梁的侧向弯扭屈曲还未进行深入的研究。本文采用理论推导、有限元模拟的方法,对具有离散扭转支撑的波形钢腹板工字梁的侧向弯扭屈曲进行了一系列的工作,主要内容及成果有:(1)结合波形钢腹板对抗弯刚度无贡献的特性,给出了任意截面波形钢腹板工字梁的截面惯性矩、抗扭惯性矩、剪切模量、合理波高、扭转中心的确切位置和翘曲惯性矩的计算方法。翘曲惯性矩的正确性得到了有限元值的验证,并将波形钢腹板的截面几何特性与平腹板作了比较,结果表明:本文所提翘曲惯性矩与有限元结果吻合良好;波形钢腹板工字梁的截面惯性矩、剪切模量均小于平腹板工字梁,且剪切模量随着最大波高和波折角的增加而减小;波形钢腹板工字梁的翘曲惯性矩大于平腹板,且随着最大波高和波折角的增加而增加。(2)基于已验证的截面特性,运用势能驻值原理推导了对称截面波形钢腹板工字梁在均匀弯矩作用下侧扭屈曲强度的计算公式,其正确性得到了有限元值和已有文献值的验证,分析了波形钢腹板厚度、波形钢腹板型号、计算跨径、高跨比对波形钢腹板工字梁侧扭屈曲强度的影响。研究了波形钢腹板工字梁在不等端弯矩、均布荷载、集中荷载作用下的侧扭屈曲强度,分析了端力矩比和扭转长细比对侧扭屈曲强度的影响,结果表明:增加扭转支撑的数目,会明显提升结构的总刚度要求和全支撑梁的侧扭屈曲强度;波形钢腹板工字梁侧扭屈曲强度受波形钢腹板厚度的影响较小;受波形钢腹板型号、计算跨径、高跨比、扭转长细比影响较大;不等端弯矩作用下的波形钢腹板工字梁的侧扭屈曲强度随着端力矩比的增加而增加;可使用均匀弯矩作用下的刚度要求计算公式保守地计算不等端弯矩作用下的刚度要求。(3)基于已验证的截面特性,运用势能驻值原理推导了不对称截面波形钢腹板工字梁在均匀弯矩作用下侧扭屈曲强度的计算公式,其正确性得到了有限元值验证,分析了不等端弯矩和不对称度对侧扭屈曲强度的影响。结果表明:波形钢腹板工字梁的侧扭屈曲强度随着不等端弯矩的端力矩比先增加后减小,随着不对称度的增加而增加,不对称度对侧扭屈曲强度的影响随着扭转支撑数目的增加而增加;可使用本文提出的均匀弯矩作用下的刚度要求计算公式计算不等端弯矩作用下的刚度要求。(4)在弹性侧扭屈曲研究的基础上,根据欧洲规范建议的屈曲曲线,结合非线性有限元分析,对波形钢腹板工字型无支撑梁和全支撑梁的非弹性侧扭屈曲强度进行估算和分析。结果表明:由于初始缺陷的存在,波形钢腹板工字梁的侧扭屈曲强度降低,且初始缺陷越大,其侧扭屈曲强度越低,全支撑波形钢腹板工字梁整体上没有无支撑工字梁降低地多,平均降幅大致在30%左右;对于无支撑波形钢腹板工字梁和全支撑波形钢腹板工字梁,都可以使用缺陷系数0.49估算侧扭屈曲强度;但对于两种初始缺陷,使用规范建议的缺陷系数0.76都可以很保守地估计其侧扭屈曲强度。
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