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第35卷第6期
2007年12月
浙江工业大学学报
JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
VoI.35 NO.6
Dec.2007
上翼缘受侧向支撑的固端钢梁整体稳定分析
赵滇生,王乐洋,阮雪琴
(浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310032)
摘要:采用ANSYS有限元程序对受混凝土板刚性约束的两端固定H型钢梁进行非线性屈曲分
析,分别研究了钢梁在高度变化和下翼缘宽度变化两类情况下粱负弯矩段的侧扭屈曲对梁整体稳
定的影响,结果表明上翼缘有刚性侧向支撑的两端固定H型钢梁存在部分屈曲后强度,钢梁在屈
曲后承载力能继续提高,构件未发生过度变形前可充分利用钢梁的部分塑性,提高其设计承栽力;
另外下翼缘宽度变化对两端固定梁整体稳定影响较大,梁截面较高同时下翼缘又比较窄时,负弯矩
段的侧扭屈曲会使钢梁发生过度变形,对下翼缘无侧向支撑的H型钢梁设计时仍需考虑其整体稳
定性.
关键词:固端梁;侧向支撑;负弯矩;整体稳定;屈曲后强度
中图分类号:TU311.2 文献标识码:A 文章编号:1006—4303(2007)06—0687—04
Stability analyses of fixed end beam with lateral bracing on its top flange
ZH AO Dian—sheng,WANG Le—yang,RUAN Xue—qin
(College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310032,China)
Abstract:The effect of negative moment on stability of fixed end H beam with top flange braced
is studied in this paper,by using the finite element nonlinear analysis.It is shown that the fixed
end beam H with the lateral bracings on top flange exist the post buckling strength which can
enhance its carrying capacity.and partial plasticity of beam can be made use of before excessive
deformation occurring.The lower flange width has considerable effect on integral stability of the
fixed end beam.I ateral buckling in the negative moment region will cause the fixed end H beam
with the narrowed lower flange and shorter section tO excessive deformation.The integral
stability has tO be taken account of in design of fixed end H beam without bracing on lower
flange.
Key words:fixed end H beam;the lateral bracings;negative moment;integral stability;
postbuckling strength
下简称“规范”),分析钢梁的整体稳定时,明确当受
O
引 目
现行《钢结构设计规范》(GB 50017--2003)(以
压翼缘上有密铺板,两者牢固连接能阻止受压翼缘
的侧向位移时,可不计算梁的整体稳定问题Ⅲ.简支
梁的上翼缘受压,在其上现浇混凝土楼板时,可不计
算梁的整体稳定性.而对于与柱刚性连接的梁,受均
收稿日期:2007—03—06
作者简介:赵滇生(1957一),男,浙江义乌人,副教授,博士,主要从事钢结构方面研究
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688 ・ 浙江工业大学学报 第35卷
布荷载时,会在梁端一定范围内产生负弯矩,使钢梁
下翼缘受压.此处按《高层民用建筑钢结构技术规
程》(JGJ 99—98)(以下简称“高规”),第6.1.3条,
当梁上设有符合规范规定的整体铺板时,可不计算
整体稳定性.而钢筋混凝土楼板及在压型钢板上现
浇混凝土的楼板,都可视为刚性铺板.高规第6.1.2
条:除设置刚性铺板情况外,梁应计算整体稳定_2].
由此可见在高规中,对于钢梁上现浇有混凝土楼板
的,不管梁端部是简支还是固支都不考虑整体稳定
性.但在理论上,不管是弹性还是塑性,只要存在压
应力就存在稳定问题.那是否由于楼板侧向约束的
影响,就会确保梁端部下翼缘受压的平面外不会失
稳而可以不考虑整体稳定呢?我国《钢结构设计规
范》和《f-/式刚架轻型房屋钢结构技术规程》,都没有
规定连续梁和框架梁等超静定梁的稳定计算方法.
只是推广了简支梁的计算方法,通过控制受压翼缘
自由长度与受压翼缘宽度的比值来保证梁的整体稳
定.所以笔者想通过有限元法计算,来分析两端固定
的H型钢梁在上翼缘有侧向约束时,均布荷载作用
下产生的梁端负弯矩对梁稳定性的影响.
1有限元计算
利用ANSYS有限元分析软件对H型钢梁进
行弹塑性分析,着重研究上翼缘受侧向约束的固端
负弯矩对钢梁的整体稳定性的影响.
为了保证分析精度,采用软件ANSYS中的
shell181单元进行三维实体建模口].建模时忽略焊
缝和焊接残余应力的影响.H型钢采用Q235钢材,
分析时简化为理想弹塑性模型,服从Von Mises屈
服准则.有限元模型考虑了几何非线性和材料的非
线性,材料弹性模量E:2.06×10 MPa,泊松比
:0.3,屈服强度fy一235 MPa.
沿梁跨度方向在梁的上表面施加均布荷载模拟
楼板的永久荷载及可变荷载.梁的两端施加固端约
束模拟固端梁,在梁上表面施加侧向水平约束,模拟
现浇钢筋混凝土楼板作为刚性铺板对钢梁上翼缘的
侧向约束,采用人工控制单元边长的方法控制单元
尺寸,对模型进行单元划分.同时为激发构件的屈
曲响应,屈曲分析时在梁下翼缘中部处施加一个
很微小的平面外扰动力(5 N).其计算模型如图1
所示.
图1 固端梁有限元模型
Fig.1 Finite element model of the fixed end beam
2计算结果分析
按高规第6.1.1条,可计算梁截面抗弯强度设
计值为
Mep一 ,W (1)
其中:Mm 为按强度理论,弯矩最大设计值; 为截
面塑性发展系数,按《钢结构设计规范》(GBJ17),取
1.05;f为钢材强度设计值,取215 N/mm。;W 为
梁对oZ"轴净截面抵抗矩.
两端固定梁在均布荷载作用下最大端弯矩为
M,p一喾
由此可导出均布线荷载q 。为
12
M
q p一—
了
广ep (2)
两端固定梁当考虑刚性楼板在其上翼缘的侧向
支撑作用时,图1跨中正弯矩段,钢梁的受压上翼缘
的侧向位移已经被约束,梁整体失稳必然是由梁端
受压下翼缘的失稳引起.影响梁的整体稳定性主要
因素有l_4]:
(1)截面形式及尺寸比例.
(2)荷载类型及其在截面高度上作用点的位置.
(3)侧向支撑,端部约束情况.
(4)初弯曲、初扭曲和荷载初偏心等初始缺陷.
(5)塑性发展情况.
主要通过对梁高度和梁下翼缘两个几何尺寸的
变化来分析探讨固端梁在有楼板作为刚性支撑时,
是否应考虑梁整体稳定问题.
2.1 梁截面高度变化对梁稳定分析结果
在分析梁高变化对梁稳定问题分析时,采用翼
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第6期 赵滇生,等:上翼缘受侧向支撑的固端钢梁整体稳定分析
缘为一200×12,腹板厚度为10 mm,梁高分别为
650 mm,700 mm,750 film,800 mm,850 mm的H
型钢截面.根据图2,当下翼缘最大侧向位移达到
8t/1 000以后,荷载增加对下翼缘的侧向位移影响
很大.另据图3所示,在下翼缘侧向位移达到
8l/1 000时,梁端截面塑性已有很大发展,接近塑性
铰的形成 ].因此笔者以下翼缘最大侧向位移达到
截面应力/(N・mm ),×10’
8l/1 000时作为固端梁的稳定破坏标志.
图3 下翼缘最大位移为0.08 m时梁端截面应力
14
Fig.3 End sectional stress at the beam with 0.08 m
T。12
×10
max displacement of the lower flange
f 8
因ANSYS求解的均布荷载值q的屈服点取
_6
235 N/ram2,为与 具有可比性,
∞
笔者考虑抗力分项系
踮
4
5 4 4 1 3
’
数yR(yR===1.087),按式(3)计算稳定荷载设计值q _6].
0
g1一 q (3)
图2 1—5号截面荷载位移曲线
表1列出了按强度确定的最大均布荷载q 。及
g\ 咨
Fig.2
一襄一
q-- curve
当下翼缘最大侧向位移达到8U1 000(取z一10 m计
算)时的ANSYS求解的均布荷载q 值.
表1 梁截面高度变化时理论值与ANSYS分析值比较分析
Table 1 Theoretical values and ANSYS results with different sectional heights
截面号 截面类型 根据式(2)求出 ANsYs弹塑性求解值”
口一
二 ! ×1O0
/(kN・m ) q /(kN・m ) qep
65O×2OO×1O×12
89.67O 55.23
7OO×200×10>(I2 98.417O 54.O3
75O×200×10×I2 1O6.826 52.O6
800×2O0×10×12 114.372 48.84
85O×2OO×1O×12 12O.916 44.45
注:1)固支梁F翼缘最大侧向位移达8z/1 000时的均布荷载值,按式(3)确足
从表1和图3可以看出,当梁下翼缘侧向位移达 中间梁段下翼缘的加紧作用,可阻止梁端受压段下
8l/1 000时,梁的极限承载力q 要比按强度理论计算 翼缘侧向失稳.所以尽管固端梁表现出下翼缘侧向
的承载力q 大,分析产生这一结果主要有以下原因: 偏移,但如果不加大荷载这一偏移量就不会增加.
(1)按高规6.1.1条,按强度理论计算得出的最大 (3)因跨中正弯矩段下翼缘受拉,使两端侧向
抗弯承载力只考虑了截面的1.05的塑性发展系数,而 位移的受压下翼缘向未屈曲的位置恢复.
按侧向位移控制时,截面塑性发展要大得多(见图3), (4)从图4还可以看出,在跨度不变的情况,随
如果不考虑稳定,其最大均布承载力q 自然要大于q叩. 着梁截面的高度不断增加,中间正弯矩段梁腹板对
(2)在上翼缘有侧向支撑的条件下,尽管下翼 负弯矩段的约束作用在不断减小.
缘有侧向失稳的趋势(绕弱轴失稳),但其承载力并
非像无侧向支撑时位移迅速增大而荷载几乎不变,
这主要是由于在梁上翼缘受压处存在刚性侧向支
撑,使得上翼缘不能产生侧向失稳,而这使在上翼缘
受压区段的腹板由于有上翼缘的约束作用,不会向
侧向屈曲,现浇钢筋混凝土板对梁的扭转具有较强
的约束作用.梁端负弯矩段,在下翼缘无侧向支撑的
梁截面高度/mm
条件下,有侧向(绕弱轴)失稳的趋势,但中间正弯矩
图4 梁截面高度对梁稳定承载力的影响
段的梁腹板由于其上翼缘和楼板的约束作用,以及
Fig.4 The effect of sectional height on its stable load
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浙江工业大学学报 第35卷
2.2梁截面下翼缘宽度变化梁稳定分析结果
在分析梁下翼缘宽度变化对梁稳定问题分析
时,采用了上翼缘为一200×12,腹板厚度为10 mm,
梁高为800 mm,下翼缘厚度为12 mm,宽度分别为
200 mm,150 mm,100 mm,50 mm,0 mm的H型钢
截面.表2列出了按强度计算的最大均布荷载q 及
当下翼缘最大侧向位移达到8l/1 000(z为梁跨度,
按10 m计算)时的ANSYS求解的均布荷载q。值.
图5为在下翼缘发生8l/1 000侧向位移值时的梁
端塑性发展情况.
表2梁截面下翼缘变化时理论值与ANSYS分析值比较
Table 2 Theoretical values and ANSYS results with different lower flange widths
注:1)固支梁下翼缘最大侧向位移达8l/1 000时的均布荷载值,按式(3)确定
对固端梁稳定影响很大,梁很容易在负弯矩作用下
g
发生整体侧扭屈曲.
窳
篷
冀
截面应力/(N・m ),×l0
梁截面下翼缘宽度/mm
图5 在下翼缘最大位移为0.08 m时梁端截面应力
Fig.5 End sectional stress at the beam with 0.08 m max
displacement of the lower flange
图6 梁截面下翼缘变化对梁稳定承栽力的影响
Fig.6 The effect of lower flange width on its stable
从表2和图5可以看出当梁下翼缘侧向位移达
8l/1 000时,梁的极限承载力q。变化幅度非常大,
在下翼缘为100 mm,150 mm和200 mm时q1要大
3 结 语
(1)在梁截面不太高、下翼缘截面不是很小的情
况下,按规范,当受压翼缘上有铺板并能阻止受压翼
缘的侧向位移时,按弹性设计,可不计算梁的整体稳
定问题,也即负弯矩区段的下翼缘无须设侧向支撑.
于q ,但小于100 mm的截面,q。要小于q ,分析
产生这一结果的主要原因有:
(1)对于单轴对称截面的受弯构件,加强受压
翼缘时,构件的抗侧扭屈曲能力加强,反之减弱[7],
而表2中均布荷载的极限承载力的下降,正是由于
两端受压段的下翼缘的宽度减小所致.
(2)正弯矩区段梁腹板对负弯矩区段梁下翼缘
(2)对上翼缘受约束的固端梁存在屈曲后强
度,钢构件屈曲后其承载能力仍有很大的提高空间.
在构件未发生过度变形前,可充分利用梁的部分塑
性,提高其设计承载力.
(3)当梁截面较高,同时下翼缘又比较窄时,就
必须考虑负弯矩区段梁的侧向屈曲.高规6.1.2,
6.1.3条并未考虑这种情况.笔者认为在该种情况
侧扭约束能力不强,当下翼缘较小时(此例中下翼缘
为50 mm时),在均布荷载力不是很大时(小于按强
度计算的q ),下翼缘的侧扭就带动中间正弯矩梁
段下翼缘一起侧向失稳,也就是说,钢梁存在整体稳
定问题.
下,无论上翼缘是否存在刚性侧向支撑,只要受压区
下翼缘无侧向约束,就必须考虑平面外失稳问题.
(下转第694页)
(3)从图6还可以看出,梁下翼缘宽度的减小
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694 ・ 浙江工业大学学报 第35卷
1 一 一1/4, 2d一 ^一 p一 6q一1/3.
口一£1∑ ( /s1 )P‘ +
£2∑ d( 2d( 2d/s2d)P‘ +
£3∑ 3 ( 3 /s3 )P∞ +
£4∑ ^( 4^/s4^)P‘ +
£5∑ p( 5p/s5 )P‘ t +
£6∑ 6q( 6q/s6q)P tq
卢:=:1/6(0.67+0.81+0.82+0.63+0.69
+0.54)≈0.69
的基础,文中建立了供应链绩效的多层评价指标体
系,对两种评价供应链整体绩效的方法进行了研究,
在此基础上构造了供应链整体绩效自我评价模型和
供应链整体绩效的标杆评价模型.对于绩效指标及
权重的选取会因为供应链本身所处的行业的不同必
然会有所差异,因此在评价供应链整体绩效时必须
结合行业的特点选取恰当的指标权重,从而有助于
客观地评价供应链整体绩效.
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其中,在式(2)中, 一1,…, ,J一1,2…,[,( )].在本
例中,具体情况为 一1,…,6.当i一1时,即J—c一1,
…
,
4; 一2时,即J— 一1,…,3; 一3时,即J—k一1,
4; 一4时,即J一^一1,…,4; 一5时,即J— 一1,
…
,
FJ].同济大学学报:自然科学版,2001,29(8):976—979.
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…
,
5; 一6时,即 一q一1,…,3.然后便可知供应链整
体绩效标杆评价值 ≈0.69.评价结果说明该企业的
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5 结 论
对供应链整体绩效评价研究是改进供应链绩效
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(责任编辑:翁爱湘)
(上接第690页)
学出版社,2002.
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(责任编辑:刘 岩)
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