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波纹腹板H型钢采用波纹钢板作为腹板,这种腹板形式能够以较薄的厚度,且不适用加劲肋,就能够获得极大的平面外刚度和剪切屈曲强度。波纹腹板H型钢的腹板高厚比可以达到600,因此能够有效地节约钢材,经济效益非常突出。
钢-混凝土组合结构是结构工程领域近年来发展较快的一个方向,它是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构,充分利用了钢结构和混凝土结构的各自优点。将波纹腹板H型钢应用到组合梁中形成波纹腹板H型钢组合梁,是多高层组合结构应用领域一种新的思路,需要进行充分的研究。
通过试验手段,并辅助以ANSYS有限元软件数值模拟,对波纹腹板H型钢及组合梁在剪切、弯曲状态下的极限承载力进行了研究,并探讨了波纹腹板钢梁和组合梁变形计算方法和设计方法,总结起来,主要研究工作和结论有下面几点:
(1)研究了波纹腹板钢梁在横向荷载作用下的受力特点,重点是波纹腹板钢梁的两种主要的剪切屈曲破坏形式:局部屈曲和整体屈曲。在总结了各国研究者给出的的抗剪承载力计算公式的基础上,进行了11个简支波纹腹板钢梁的抗剪试验,同时采用有限元的方法对试验进行了辅助研究。最终提出了适用于梯形波纹腹板H型钢梁抗剪承载力的计算方法。
(2)为了提出一个能够用于生产的波形,按照承载力满足屈服前不屈曲、腹板用钢量省(波纹褶皱率小)、抗剪过程中延性系数高的原则,对腹板的波形进行了优化分析,提出了一种优化波形。经试验验证,该优化波形符合上述三个优化原则。
(3)对波纹腹板H型钢梁抗弯性能进行了研究。首先进行了抗弯强度破坏试验,试验证明波纹腹板不承受任何弯曲正应力,所以梁的抗弯承载力的计算可以仅考虑上下翼缘的贡献。而其由于截面的屈服弯矩和塑性弯矩差别较小,提出用塑性弯矩作为梁的抗弯承载力。对梁的整体稳定性能研究也分为了两个层次进行:弹性稳定和弹塑性稳定。其中弹性稳定分析中,主要研究了波纹腹板钢梁截面翘曲常数计算方法,并通过有限元方法进行校核。而通过有限元进行梁的弹塑性稳定分析,得到了用于设计的整体稳定设计公式。
(4)对波纹腹板钢梁变形性能的研究也包括了弹性和塑性两个层次。弹性分析主要研究了梁的初始刚度,尤其是钢梁腹板剪切变形的影响。塑性分析主要探讨了梁的延性性能。在总结前文中的试验结果的基础上,讨论了各种因素对波纹腹板钢梁延性的影响。
(5)波纹腹板钢梁上翼缘受到局部集中荷载作用下,其局部承压承载力也是影响波纹腹板钢梁性能的重要方面。国内外研究资料均证明,波纹腹板钢梁具有较高的局部承压强度。进行了若干构件的局部承压试验和有限元模拟,试验中,采用了不同的挚块形式(立方体钢块、钢轨和钢辊轴)。通过试验结果,分析了不同的荷载分布宽度对局压承载力的影响,最终得到了局压承载力设计公式。
(6)在波纹腹板钢梁理论分析和试验研究的基础上,探讨了将波纹腹板H型钢用于组合梁的可行性。首先,按照经典组合梁理论,分析了波纹腹板H型钢组合梁的受力特点。随后进行了3个组合梁的抗剪试验和有限元模拟。通过研究,详细分析了波纹腹板H型钢剪应力分布特点,结合现有资料,讨论了混凝土翼板对抗剪承载力的影响,并提出了组合梁抗剪承载力设计公式。
(7)由于波纹腹板不承受任何弯曲应力作用,波纹腹板H型钢组合梁的抗弯性能与平腹板组合梁存在一定不同。在传统的组合梁理论分析基础上,结合钢梁和混凝土之间的滑移对承载力的影响,给出了构件抗弯承载力的计算方法。随后,设计了4个组合梁抗弯试验,并进行了有限元模拟。通过试验可以证明了力学模型的正确性,而所提出的计算方法也能够用于指导设计。
(8)在波纹腹板H型钢组合梁抗剪和抗弯试验及有限元分析的基础上,分析了组合梁的变形性能,尤其是滑移对梁刚度的影响。通过计算前文中组合梁试件刚度,将理论分析、试验结果和有限元方法得到的刚度进行了对比,提出波纹腹板H型钢组合梁变形分析中需要考虑构件剪切变形的影响。