狗骨式钢梁侧向支撑合理位置分析 - 图文

工程设计

狗骨式钢梁侧向支撑合理位置分析

岳润慧　李　军　郁有升

(青岛理工大学　青岛　266033)

摘　要　借助有限元分析软件,采用两种侧向支撑的设置方案对狗骨式钢梁进行非线性屈曲分析。探讨侧向支撑间距对狗骨式钢梁稳定承载力的影响,以及狗骨式钢梁翼缘削弱处侧向支撑的影响。结果表明:侧向支撑并非越多越好,应合理控制其间距。按现行规范设置狗骨式钢梁的侧向支撑能够满足结构承载力要求,而不必非在翼缘削弱处设置侧向支撑。

关键词　有限元分析　狗骨式钢梁　侧向支撑

DISCUSSIONONREASONABLEPOSITIONOFLATERALBRACE

FORREDUCEDBEAMSECTIONCONNECTION

YueRunhui　LiJun　YuYousheng

(QingdaoTechnologicalUniversity　Qingdao　266033)

ABSTRACT　Itisconductedthenonlinearbucklinganalysisofreducedbeamsectionconnectionusingtwoproceduresofsettinglateralbracesandthefiniteelementanalysissoftware.Theinfluencefromthelateralbracespacetothecriticalloadofreducedbeamsectionconnectionisdiscussedhere.Theinfluencefromthelateralbracesatthereducedflangeisparticularlynoticed.Theresultsshowthatitisreallynotmorelateralbracesarethebest;thespaceofthelateralbraceshouldbereasonablycontrolled.Thedemandofbearingcapacityforthestructurecanbesatisfiedassettingthelateralbraceofreducedbeamsectionconnectionaccordingtothecurrentcodefordesignofsteelstructures,howeverthereisnotnecessaritytosetlateralbracesinthereducedflange.KEYWORDS　finiteelementanalysis　　reducedbeamsectionconnection　　lateralbrace

狗骨式钢梁是一种新型的结构形式,对于狗骨式钢梁的研究虽然不算少,但关于如何设置侧向支撑及其对狗骨式钢梁稳定承载力影响的研究,目前在国内尚少见。现行规范所规定的内容毕竟是针对普通钢梁而言,是否适用于狗骨式钢梁,有待进一步研究。本文采用不同截面、不同荷载条件下的狗骨式钢梁作为研究对象,考虑两种设置侧向支撑的方案,以ANSYS有限元分析软件对带有侧向支撑的狗骨式钢梁进行稳定承载力分析。1　计算简图与狗骨钢梁的构造尺寸

将图1所示的两端刚性连接的狗骨式钢梁作为研究对象,跨长取8m,荷载取集中与均布两种形式。采用3组焊接H型组合截面,具体尺寸如表1所示。为便于计算,利用对称性取一半结构作为计算模型。狗骨式梁节点的构造样式如图2,各个截面的具体构造尺寸参照文献[1],如表2所示。梁的几何缺陷中对其承载力影响最大的是荷载初始偏心,依《钢结构设计规范》(GB50017-2003)(以下简称“规范”)和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》56

(CECS102∶2002)中对焊接H型钢的侧向允许的初弯曲以及荷载初偏心的要求,分析时,假定荷载有15mm的初偏心。

图1　计算简图

图2　翼缘削弱样式

第一作者:岳润慧　男　1978年6月出生　工程师　硕士研究生

Email:wangsuyuerun@sina.com收稿日期:2007-03-09

钢结构　2007年第8期第22卷总第98期　

岳润慧,等:狗骨式钢梁侧向支撑合理位置分析

表1　各截面几何特性

型号

H200×400×12×8

H250×500×16×8H300×600×20×10

H×B/mm400×200500×250600×300

T1/mm121620

T2/mm8810

截面面积/

cm278.1117176

Ix2162053700115600

截面惯性矩/cm4

Iy160041709010

表2　狗骨式钢梁节点构造尺寸

型号H400×200H500×250H600×300

bf200250300

a150180210

b375450525

c62.57587.5

mm

R313375436

3　计算分析3.1　算法的选择

采用单向加载方式,对3组狗骨式钢梁进行有限元分析,由于弧长法适宜求解物理意义上不稳定的结构,同时与荷载控制法和位移控制法相比,弧长法便于得到结构非线性屈曲后阶段的荷载-位移曲线,因此本文选用弧长法进行计算分析。3.2　侧向支撑的设置方案

方案1:跨中处预先设置一道侧向支撑,在塑性铰(本模型取翼缘削弱处)处不设置侧向支撑。计算模型(取一半结构)在其他位置按等间距的方法分别增设1～3道侧向支撑。

方案2:跨中处预先设置一道侧向支撑,现行“规范”第9.3.2条规定在构件出现塑性铰处(本模型取翼缘削弱处)设置侧向支撑,在两塑性铰之间按等间距的方法分别增设1～3道侧向支撑。3.3　有限元结果的分析比较

图4与图5分别表示对H400×200截面考虑两种侧向支撑布置方案时,集中荷载与均布荷载作用下狗骨式钢梁(取跨中上翼缘中点)的荷载-侧向位移关系。其中,图4a和图5a、图4b和图5b分别为采用方案1、方案2时的分析结果,图4c和图5c、图4d和图5d分别为其局部放大。图6、图7采用同

2　有限元模型

采用ANSYS有限元分析软件,利用壳单元

Shell143进行网格划分,忽略节点焊缝、高强螺栓和焊接残余应力的影响,不对焊缝、焊接孔进行建模

[2]

,其有限元模型如图3a所示。根据VonMises

屈服准则及相关流动准则、多线性随动强化准则,选用图4b所示的双折线应力-应变关系描述材料特性,屈服应力为235MPa,弹性模量为2.06×10MPa。

5

图3　有限元模型及材料特性曲线

1-1道;2-2道;3-3道;4-无支撑

图4　集中荷载作用时(H400×200截面)荷载-侧向位移关系

SteelConstruction.2007(8),Vol.22,No.98

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工程设计

样的表示方法描述H500×250截面狗骨钢梁的荷载-侧向位移关系。限于篇幅,H600×300结果未

1-1道;2-2道;3-3道;4-无支撑

图5　均布荷载作用时(H400×200截面)荷载-侧向位移关系

1-1道;2-2道;3-3道;4-无支撑

图6　集中荷载作用时(H500×250截面)荷载-侧向位移关系

1-1道;2-2道;3-3道;4-无支撑

图7　均布荷载作用时(H500×250截面)荷载-侧向位移关系

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钢结构　2007年第8期第22卷总第98期　

岳润慧,等:狗骨式钢梁侧向支撑合理位置分析

列出,但作为分析对象考虑。

对图4～图7比较发现,侧向支撑的设置对钢梁稳定承载力有如下影响:

1)比较两种方案,3组截面的荷载与位移关系曲线相差不大,在塑性铰(翼缘削弱处)设置侧向支撑对狗骨式钢梁稳定承载力的影响并不明显,这与文献[3]的结论是相同的。

2)集中荷载作用时,3组截面在两种方案下取1～3道时的承载力差别不大,取2道承载力最大。第一种方案下3组截面取2道时的极限承载力值分别比取1道大0.12%、0.1%、0.03%,取2道时极限承载力分别比取3道大0.007%、0.006%、0.003%。同理,第二种方案下3组截面取2道时的极限承载力值分别比取1道大0.3%、0.08%、0.007%,取2道时极限承载力分别比取3道大0.05%、0.04%、0.0045%。

3)均布荷载作用时,3组截面在两种方案下取1～3道时的承载力差别不大,取3道时的极限承载力最大。第一种方案下3组截面取3道时的极限承载力分别比取1道大0.5%、0.35%、0.1%,取3道时极限承载力分别比取2道大0.24%、0.017%、0.03%。同理,第二种方案下3组截面取3道时的极限承载力值分别比取1道大0.9%、0.44%、0.08%,取3道时极限承载力分别比取2道大0.25%、0.1%、0.06%。在达到极限承载力之后,设置3道侧向支撑时的承载力下降程度最小,但与设置2道时的效果相差不大。

综上所述,对于跨中受压翼缘处已设置侧向支撑的狗骨式钢梁,一方面按“规范”(GB50017-

2003)设置狗骨式钢梁的侧向支撑能够满足结构承载力的需要,但其翼缘削弱处设置的侧向支撑对其承载能力的贡献很小,在此处设置侧向支撑意义不大;另一方面侧向支撑的数量并非越多越好,增加侧向支撑的数量并不会对狗骨式钢梁稳定承载力的提高产生明显的影响。就本算例而言,设置1～3道时狗骨式钢梁的承载能力相差并不大。集中荷载作用下,设2道侧向支撑虽然要好于另外两种情况,但相互差值在0.3%以内,可以选择最经济方案,即设置1道。在均布荷载作用下,从承载力下降程度看,设置3道支撑较为合适。4　结　语

1)可以按“规范”(GB50017-2003)的规定设置狗骨式钢梁的侧向支撑,但翼缘削弱处设置侧向支撑对狗骨式钢梁的稳定承载力影响很小,此处可以不设置支撑。

2)侧向支撑的间距应该适当控制,支撑的数量并非越多越好。在一定条件下,应该合理控制其数量。

参考文献

1　MichaelDEngelhardt.DesignofReducedBeamSection(RBS)

MomentFrameConnections//Proceeding1999NorthAmericanSteelConstructionConference.AISC,TorontoCanada:1999:1-29

2　王新武,王莹,张惠娟.狗骨式刚性连接钢框架有限元分析.河

南科技大学学报,2004,25(4):67-70

3　厉凤香.考虑稳定性构造措施的狗骨式连接结构受力性能分析:

[硕士学位论文].青岛:青岛理工大学,2006

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