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循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响

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循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定 的影响 标准与规范 循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 孙德良刘中伟赵军王如新 (辽宁省建筑设计研究院,沈阳110005) 摘要:为了验证文献[1]给出的侧向支撑间距是否合理,按其布置支撑时能否保证 采用我国型钢截面钢粱的整体 稳定,对两端固定的H型钢梁进行理论研究.首先借助有限元软件ANSYS建立6 根长度不同的H型钢梁模型, 采用位移控制的循环加载制度,按文献[1]给出的侧向支撑间距方程布置支撑,进 行非线性屈曲分析分...
循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响
循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定 的影响 与规范 循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 孙德良刘中伟赵军王如新 (辽宁省建筑设计研究院,沈阳110005) 摘要:为了验证文献[1]给出的侧向支撑间距是否合理,按其布置支撑时能否保证 采用我国型钢截面钢粱的整体 稳定,对两端固定的H型钢梁进行理论研究.首先借助有限元软件ANSYS建立6 根长度不同的H型钢梁模型, 采用位移控制的循环加载,按文献[1]给出的侧向支撑间距方程布置支撑,进 行非线性屈曲分析分析结果表 明,我国型钢钢梁按文献[1]布置支撑时可以有效地保证粱的整体稳定.最后,对我 国规范的侧向支撑间距给出修 改建议. 关键词:支撑;非线性屈曲;循环荷载 THEEFFECTSoFUNBRACEDLENGTHONoVERALLSTABILITY0F STEELBEAMSSUBJECTEDTOCYCLICLoADS SunDeliangLiuZhongweiZhaoJunWangRuxin (LiaoningProvincialBuildingDesign&ResearchInstitute,Shenyang110005,China) ABSTRACT:Inordertoprovewhethertheunbracedlengthisrationalandcanensuretheover allstabilityofsteel beamusingthesectionsteelinChina,thispapercarriesoutresearchonZ-steelbeamwithbothe ndsfixed.Bymeans offiniteelementssoftwareANSYS,itbuildssixmodelsofsteelbeamswithdifferentlength,a ndthenmakessome non— linearbucklinganalysisundercyclicloads.Theresultsshowthatwhenadoptingtheunbraced length.theoverall stabilityofsteelbeamswhichuseChinesesectionsteelcallbeensured.Atlast,thispapergives arecommendationon therevisionoftheunbracedlengthincurrentChinesecode. KEYWORDS:bracing;non—linearbuckling;cyclic1oads 当梁的侧向刚度不足时,梁的整体稳定一般是 通过设置侧向支撑来保证的.当梁的跨度很大时, 梁的侧向长细比也会很大,此时可能会需要设置多 个支撑.我国GB50017—2003《钢结构设计规 范))L2](以下简称"钢规")4.2.1条第2款对梁设置 支撑的规定局限于跨中仅设置一个支撑的情况,而 文献E1]给出的方程则适用于设置多个支撑的情况. 但是此文献采用的梁截面为国外的型钢,因此需要 研究其给出的侧向支撑间距方程是否适用于我国型 此外,本文考虑了局部屈曲对整体 钢截面的钢梁. 稳定的影响,而文献E13没有考虑. 1我国现行钢结构设计规范关于侧向支撑间距的 相关规定 表1为钢规4.2.1条第2款对H型钢或等 截面工字简支粱不需要验算整体稳定时的规定.对 于无侧向支撑点的梁,为其跨度;对跨中有侧向 支撑点的梁,z为受压翼缘侧向支撑点间的距离 (梁支座处视为有侧向支撑).此处的z就是侧向 支撑点间距离.截面尺寸见图1,其中b为翼缘宽 度;t为腹板厚度;t为翼缘厚度;h为截面高度. 同时我国钢规9.3.2条.3对塑性设计规定,在构件 出现塑性铰的截面处,必须设置侧向支撑. 表1H型钢或等截面工字简支梁不需 要计算整体稳定性的最大1/b.值 注:其他钢号的梁不需计算整体稳定性的最大l1/b1值,应取 Q235钢的数值乘以. 该支撑点与其相邻支撑点问构件的长细比.;【 应符合式(1)的要求. ~-0.5?M1I?1时 : 第一作者:孙德良,男,1979年出生,师. Email:Insysl@sina.corrl' 收稿日期:2010—10—25 56钢结构2011年第4期第z6卷总笫145期 孙德良,等:循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 ? l II ll 图1工字截面尺寸示意 ??M1') 当一l??0.5H寸: M1' (1a) (1b) 式中:为弯矩作用平面外的长细比;M为侧向支 撑点处的弯矩,当长度z内为反向曲率时,M/w 为1f三;W为对5/Z轴的塑性毛截面模量. 从式(1)可以看出,对于Q235钢,变化范围 为35,1【)(). 根据文献[33和表1,对于Q235钢,我国钢规可 改写为: ll一166】一16r,/6(2+f)(2) 将一z/,.代人式(2)得: , 一 zl/r一39.2,(3) 式中:c为图1中一个翼缘面积与一个腹板面积的 比值;,.为对截面轴的回转半径.并指出我国所 有H型钢和工字钢中,值均不大于80. 从钢规中可以看出,4.3.2条规定局限于跨中 仅设置一个支撑;9.3.2条对塑性设计规定了长细 比限值,采用限制长细比的方式限制侧向支撑间距, 虽然没有局限于仪设置一个支撑的情况,但是其应 用范围较窄,仅适用于不直接承受动力荷载的固端 梁,连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架 结构.综合考虑上述原因,本文引入了文献[1]提出 的侧向支撑问距方程,该方程可以应用于梁最多设 置5个支撑的情况,应用范围也较广. 2侧向支撑间距方程 文献[1]中MasayoshiNakashima等人给出侧 向支撑问距方程,该方程是在理论和试验研究验证 的基础上提出来的,方程如下: 一 z1/一80—15(4) "十I 式巾:为侧向支撑个数,最大取5.当为1,2,3, 4,5时,分别为80,75,72.5,71,70,当设置一个 支撑时,我国钢规规定的值均小于8O,比式(4)的 要求稍严格一些. 因为式(4)在做研究分析时验证的均是国外的 型钢截面,该式对我国型钢未必适用,因此借助软件 ANSYS对我国H型钢截面和I:字型截面进行了非 线性屈曲分析. 3有限元模型的建立 有限元模型假定如下:1)考虑了由刚体运动及 小应变引起的大变形效应;2)梁与柱之问连接采用 全焊接,焊缝可靠连接;3)梁屈曲时横梁的梁端转角 大小相等,方向相反;4)没有考虑残余应力和初始儿 何缺陷的影响;5)不计横梁中轴心力的影响;6)考虑 了局部屈曲对整体稳定的影响. ANSYS有限元模型为6根长度不同的H型截 面梁,截面尺寸为高h一600mm,宽bl一300mm, 翼缘厚度t.一17mm,腹板厚度t一11mm,长度分 别为4.11,8.22,12.33,16.44,19.73,2.47m,侧向 长细比分别为1O0,200,300,400,480,60,编号为 试件st1st6.为了便于与文献[1]比较,材料及本 ,弹性模量 构关系与文献[1]相同:材料为Q235钢 E一2.05×10.MPa,泊松比===0.3,屈服强度,一 250MPa;本构关系采用VonMises双线性随动强 化本构模型(BKIN),当材料达到屈服点之后采用的 模量为0.01E,关系见图2,其中纵轴为材料应力, 横轴s为应变.采用Shell181单元,约束条件为两 端固定,有限元模型见图3. 帆 』1 1 ///图2材料本构关系模型 SteelConstruction.2011(4),Vo1.26,No.14557 标准与规范 3有限兀模型 加载由梁端绕截面35"轴转角控制,在梁的两 端施加大小相等,方向相同的转角,使梁产生反 对称位形.如图4所示,共进行了6个循环加载周 期:前两次循环幅值为0.015rad;再进行2次循环, 幅值为0.030rad;最后2次循环幅值为0.045rad. 滟 强 jj# 0.045 0.030 0.015 - 41.015 - 0.03O —1.045 l/ 7\八//f_ 4\}/7循周j口f _ 图4循环加载制度 4非线性屈曲分析 本文借鉴了MasayoshiNakashima等人口]的研 究方法.图5为M/M,一0曲线,M为加载过程中梁 端产生的弯矩,M为梁全截面塑性弯矩.图中"?" 处为整个加载过程中M/最大值,记作M/, "?"处为最后一个加载循环中M/M.最小值,记作 Mm/M..此外,MasayoshiNakashima指出:M… 与按最大幅值单调加载时的M/最大值极为接 近,因此以Mm作为按最大幅值0.045rad单调加 载下的极限承载弯矩,而将M…作为循环加载下的 极限承载弯矩,M…/M,与M…/M.差值越小,说 明循环加载下的极限承载弯矩与单调加载下的极限 承载弯矩越接近. 4.1无支撑 从试件stl—st6非线性屈曲分析中得到的 Mm/Mp值和Mm./M.值见图6.鉴于篇幅,各构 件的M/M,一0滞回曲线不再一一列出. 可以看出,在长细比的全部变化范围内(60, 1一M…/Mp;2一Mi/Mp 图5M/M及^/M示意 1===? _ 2 1一M…/M;2一Mi/M. 图6无支撑时M…/Mp-_1及M,/Mp一^,关系 480),随着长细比的增加,侧向稳定承载力不断降低; 对于长细比>100时,M/M.与M/M.之差越 来越显着,因此设支撑时应使侧向支撑间距小于 100ry,以使循环加载下的极限承载弯矩接近单调 加载下的极限承载弯矩;当A一170时,Mm几乎等 于M;当>170后,Mi开始低于M;>200 时,M/M与M/M之差趋于恒定. 4.2按式(4)设支撑 按式(4)设支撑时得到各构件的Mm/M.值与 Mm/M,值见图7.与无支撑时图6相比,Mmi/ 值与M…/M值很接近,循环加载下的极限承 载弯矩很接近单调加载下的极限承载弯矩;此外, Mm/M值均大于1,说明循环加载下的极限承载 弯矩大于全塑性弯矩,能够保证梁的整体稳定.可 见:按式(4)布置支撑时可以保证梁的整体稳定. 为了更好地表明按式(4)设支撑时对稳定承载力 的提高程度,将未设支撑和按式(4)设支撑的荷载, 位移滞回曲线列出,以便于对比.以长细比:160 的构件为例,此时按式(4)仅需在跨中设一个支撑, M/M.一0滞回曲线见图8.可以看出,当不设支撑 时,随着循环荷载的加大,承载力一直在降低,而按 式(4)设置支撑后,承载力几乎没有下降. 58钢结构2011年第4期第26卷总第145期 孙德良,等:循环荷载下侧向支撑间距对钢梁整体稳定的影响 ., 2 1小加支撑;2一跨巾加支撑 图8尤支撑时利安式(4)没支撑时承载力的对比 本义选取截面的翼缘面积与腹板面积的比值c 在}{钢巾最大,山式(2)可知,c值越大,长细比越 大,对梁的整体稳定也就越不利,L大I此本文选取的截 面按式(4)设支撑能够满足要求,其他H钢截面 也能满足要求. 5对我国当前钢规的建议 夺义分忻采用的材料仅为Q235钢,当采用其 他钢号的材料时可以借鉴我国钢规的方法,将式(4) 乘以调整系数235-厂,式中:/'为材料的屈服强 度,则式(4)变为: z,/r一(80—15),/2l(5) ft—1 将式(2)代入式(5)得: Ii…E8o 62-4-??十1/(r, 将腹板而积与翼缘的面积比值r保守地取为 2.17,这样,/6(2+f)一5,式(6)变为: ll一??? 式(7)就是本义对我国钢规4.3.2条第2款给 出的建议.对于丁字钢,c值最大没有超过2.17,因 此,式(7)对工字型钢也适用.当仅没一个支撑时, 式(7)与我国钢规相同,这说明我国钢规是合理而保 守的;当梁的跨度很大,需要没置多个支撑时可参考 式(7). 由图6可知,没有超过1O0时,循环加载下 的极限承载弯矩M…小小于塑性弯矩M可以保 证H型截面或丁字截而钢梁的整体稳定.钢规 9.3.2条(塑性设计规定)其值变化范围为35, 100,没有超过100,是合理的. 6结语 1)对我国型钢截面钢梁的有限元分析结果表 明:按式(4)给出的侧向支撑间距设支撑时,能够保 证我国H型钢和字钢截面钢梁的整体稳定而不 需要验算; 2)当需要设置多个支撑时,口以参考本文给出 的式(7)来保证梁的整体稳定; 3)当仅需在跨巾设置一个支撑时,我国钢规 4.3.2条是合理而保守的;钢规9.3.2条也是合理的. 参考文献 [1]MasayoshiNakashima,loriKanao,Iiu1)awei.IateralInstabll ityandIatera[BracingofSlecl13eaii1sSubjected1.oCyclic Loading[J].JournalofStructuralEngincering,2002,l28 (10):1308l316. E2](B500172003钢结构没汁t规范[s]. E3]刘巾伟,陈向荣,挂名丰H.tf?美规范肘钢框架梁侧阳支撑I_uJ距 规定的刘比[J].长春I程学院:自然科:版,2ol0,1l (2).34—37. ? 小知识? 参号文献是指为撰写或编辑论着而引用的有关图书资料. 按规定在科技论文中,凡是引用前人(包括作者自己过去)已发表的文献中的观点,数据和材料等,都要对它们在文中出 现的地方了以标明,并在文末列出参考文献表.这项工作叫做参考文献着录. 参考文献请按文内出现的先后次序编号并用上角标在引用处标注,文后按着录规范给出参考文献的详细资料.
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