侧向支承钢梁弹性弯扭失稳临界弯矩研究

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为提高两端简支工字钢梁的整体稳定承载力,可在梁跨内的受压翼缘上设置约束侧向位移的弹性或刚性支承,从而形成了侧向支承梁。侧向支承梁常见于有檩屋盖体系中的屋面梁,檩条可视为侧向支承。弹性弯扭屈曲临界弯矩是描述侧向支承梁保持整体稳定的重要参数,因而得到了国内外学者的广泛关注,相关研究成果也被设计标准采纳。对于跨内等间距布置刚性支承的钢梁,我国现行国标GB 50017—2017和GB 50018—2002依据支承数量n,均按n=1和n≥2给出了用以计算弹性弯扭屈曲临界弯矩的等效弯矩系数βb。对于支承数量n≥2的情况,采用统一的系数βb进行计算,可能导致计算精度降低。此外,规范中还缺少弹性侧向支承梁的相关内容。鉴于此情况,本文从侧向支承梁总势能方程出发,运用Rayleigh-Ritz法理论推导侧向支承梁临界弯矩计算式,在此基础上提出侧向支承梁的临界弯矩实用算式,通过对比试验数据和有限元解,验证本文临界弯矩实用算式的精度和适用性。首先,从无支承简支工字钢梁总势能方程中引入支承势能项,得到支承梁总势能方程,基于总势能方程,综合考虑跨内支承数和支承刚度对屈曲模态的影响,分别选取sin(πz/L)、sin[(n+1)πz/L]作为跨中设置一个弹性侧向支承梁、跨内等距设置n个刚性侧向支承梁的位移函数基函数,而后运用Rayleigh-Ritz法分别导出上述两种支承梁在单一荷载作用下的临界弯矩计算式。前者的临界弯矩计算式为本文提出,其形式与Clark和Hill的简支梁临界弯矩“3C”计算式类似,且刚度为零时可简化为“3C”计算式;后者的临界弯矩计算式与“3C”计算式形式完全相同。此外,后者的计算式形式不受推导过程中位移函数u和φ是否耦合的影响,u和φ耦合与否仅影响“3C”系数的取值,且耦合情况下所得系数计算精度更高。因所选位移函数不能完全模拟钢梁实际变形,故计算式仅在局部范围具有较高计算精度。由本文数值验证可知,跨中设置一个弹性侧向支承梁临界弯矩计算式仅在支承刚度较小时计算精度高,随刚度增加计算误差增大;而跨内等距设置n个刚性侧向支承梁的计算式仅在n=1时与有限元解十分接近,随n增加计算误差增大。为提高这两种支承梁计算式的计算精度,本文基于弯扭屈曲专用有限元软件LTBeam N进行临界弯矩有限元数值分析,对计算式中原“3C”系数取值进行调整,采用调整后系数计算的计算式即为本文提出的临界弯矩实用算式。对于跨中设置一个弹性侧向支承梁,将本文临界弯矩实用计算式与实验数据对比,本文计算值与实验数据符合得好且偏安全;对于跨内设置n个刚性侧向支承梁,将本文计算值和中、美规范计算值分别与有限元解对比,可知本文计算式不仅计算精度高,且适用范围广。
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