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工字梁腹板在局部承压和剪力作用下的弹性屈曲及极限承载力

作　者: 任涛
导　师: 童根树
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 工字梁腹板局部屈曲弹性屈曲系数极限承载力转动约束局部荷载剪力吊车梁轨道轮压荷载承压应力有限元分析
分类号: TU323.3
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

工字形截面梁在弯矩、剪力以及局部荷载单独或者联合作用下,腹板的部分板面会偏离原来的位置而发生波形凸曲。目前,吊车轮压荷载作用下工字梁腹板的局部屈曲鲜有研究,这主要是由于无法得到轮压荷载作用下承压应力在腹板内的分布规律。对于轮压荷载作用下工字梁腹板的承压应力计算,我国钢结构设计规范GB50017-2003比GBJ17-88更加偏离了国际上通行的计算方法,而这一方法实际上并未进行过研究。另外,目前研究工字梁腹板在局部荷载及剪力作用下的稳定时,都没有合理考虑翼缘的约束作用。本文采用有限元方法对包括吊车轮压荷载在内的局部荷载和剪力作用下工字梁腹板的弹性屈曲及极限承载力进行分析,以期合理考虑翼缘对腹板的约束作用。本文首先对有轨道的工字梁在轮压荷载作用下腹板的局部承压应力进行了参数分析。影响承压应力分布的主要因素为腹板的厚度以及轨道的抗弯刚度,翼缘自身的抗弯刚度也有一定的影响;吊车梁的跨度和高度以及梁的支座条件都对其影响很小。采用经典的弹性地基梁理论解释了腹板局部压应力与腹板厚度以及轨道惯性矩间的关系,并在此基础上得到了等效承压长度的计算公式。还得到承压应力沿腹板高度及沿梁纵向的变化规律,提出了近似的计算公式。采用有限元方法对局部荷载以及轮压荷载作用下不同边界条件的矩形板进行了分析,包括四边简支板、两边简支,两边固支板以及三边简支,一边固支的矩形板。得到了各种情况下矩形板屈曲系数的近似公式。对局部荷载和轮压荷载作用下工字梁模型进行了特征值屈曲分析。通过引入与翼缘扭转刚度和腹板弯曲刚度的比值有关的参数,将翼缘对腹板的约束程度进行量化。通过大量计算得到了能考虑翼缘转动约束的腹板屈曲系数的近似计算公式。分析了局部荷载作用在上翼缘时工字梁腹板的弹性屈曲系数,考虑了腹板宽高比、高厚比、荷载作用宽度等影响因素。在有限元分析结果的基础上,提出了建议公式。将计算得到的弹性屈曲系数代入已有的极限承载力公式,从而合理考虑了翼缘的约束作用。

全文目录

第1章绪论  12-32
  1．1 钢梁在工程中的应用及分类  12-14
  1．2 薄板稳定概述  14-18
    1．2．1 薄板屈曲的特点  14
    1．2．2 计算假定  14-15
    1．2．3 薄板稳定分析的常用方法  15-18
  1．3 工字梁腹板的局部稳定研究  18-22
    1．3．1 局部荷载作用下工字梁腹板的弹性屈曲  18-20
    1．3．2 剪力作用下工字梁腹板的弹性屈曲  20-22
  1．4 工字梁的极限承载力研究  22-23
  1．5 本文的主要工作  23-32
    1．5．1 以往研究的不足和存在的问题  23-24
    1．5．2 本文的主要工作  24-32
第2章吊车梁承压应力分析  32-64
  2．1 研究背景  32-35
    2．1．1 我国钢结构设计规范对局部承压验算的规定  32-33
    2．1．2 国外规范对局部承压验算的规定  33-35
    2．1．3 我国规范存在的问题  35
  2．2 计算方法的选择  35-42
    2．2．1 接触方法介绍  35-39
    2．2．2 耦合方法介绍  39-40
    2．2．3 接触方法与耦合方法的对比  40-42
  2．3 参数分析  42-46
    2．3．1 计算模型  42-43
    2．3．2 各参数对承压应力的影响  43-46
  2．4 弹性地基梁理论分析  46-50
    2．4．1 弹性地基梁一般理论  46-47
    2．4．2 用弹性地基梁理论求解最大承压应力  47-50
  2．5 回归分析  50-54
  2．6 承压应力沿腹板高度方向的扩散规律  54-57
  2．7 承压应力在腹板计算高度边缘沿梁纵向的分布  57-61
  2．8 本章小结  61-64
第3章局部荷载作用下工字梁腹板的弹性屈曲分析  64-92
  3．1 研究背景  64-65
  3．2 分析方法的验证  65-67
  3．3 单块矩形板的弹性屈曲  67-73
    3．3．1 简支矩形板  67-68
    3．3．2 固支矩形板  68-70
    3．3．3 三边简支，一边固支矩形板  70
    3．3．4 三种边界条件下矩形板屈曲波形的对比  70-73
  3．4 工字梁腹板在局部荷载作用下的弹性屈曲  73-77
    3．4．1 有限元模型描述  73
    3．4．2 工字梁腹板弹性屈曲系数的近似计算  73-77
  3．5 工字梁腹板在轮压荷载作用下的弹性屈曲  77-87
    3．5．1 工字梁腹板计算高度边缘竖向压应力的分布  77-78
    3．5．2 单块矩形板有限元模型描述  78-79
    3．5．3 简支矩形板  79-84
    3．5．4 固支矩形板  84
    3．5．5 工字梁腹板弹性屈曲系数的近似计算  84-87
  3．6 本章小结  87-89
  附表3．1  89-90
  附表3．2  90-92
第4章局部荷载作用下工字梁的极限承载力  92-119
  4．1 研究背景  92-99
  4．2 已有方法与试验结果的对比  99-102
    4．2．1 Roberts方法及Lagerqvist的方法与试验结果的对比  99-100
    4．2．2 EC3简化方法及CECS102与试验结果的对比  100-102
  4．3 局部荷载作用在工字梁上翼缘时腹板的弹性屈曲系数  102-105
    4．3．1 有限元模型介绍及结果验证  102-103
    4．3．2 弹性屈曲系数回归分析  103-105
  4．4 局部荷载作用下工字梁的极限承载力  105-107
  4．5 有限元分析  107-113
    4．5．1 有限元模型介绍  107-109
    4．5．2 初始缺陷对极限承载力的影响  109-111
    4．5．3 ANSYS分析结果与试验结果的对比  111
    4．5．4 建议公式与ANSYS分析结果的对比  111-113
  4．6 本章小结  113-116
  附表4．1  116-119
第5章工字梁腹板的剪切屈曲分析  119-136
  5．1 研究背景  119-120
  5．2 分析方法及验证  120-121
  5．3 矩形板的剪切屈曲分析  121-125
    5．3．1 四边简支和两边简支，两边固支矩形板  121-123
    5．3．2 三边简支，一边固支矩形板  123-125
  5．4 工字梁腹板的剪切屈曲分析  125-133
    5．4．1 有限元模型介绍  125-127
    5．4．2 β参数的确定  127-129
    5．4．3 工字梁腹板的剪切屈曲系数计算  129-133
    5．4．4 Lee公式与ANSYS结果的比较  133
  5．5 本章小结  133-136
第6章工字梁抗剪极限承载力  136-170
  6．1 研究背景  136-143
  6．2 各国规范的相关规定及比较  143-152
    6．2．1 各国规范关于抗剪极限承载力的计算规定  143-148
    6．2．2 各种规定与试验结果的对比  148-152
  6．3 考虑翼缘影响的抗剪极限承载力公式  152-156
    6．3．1 已有公式存在的不足  152-154
    6．3．2 建议公式  154-156
  6．4 有限元分析  156-164
    6．4．1 有限元模型介绍  156-157
    6．4．2 初始缺陷对极限承载力的影响  157-158
    6．4．3 主压应力随外荷载的变化规律  158-160
    6．4．4 翼缘刚度对极限承载力的影响  160-162
    6．4．5 ANSYS分析结果与试验结果的对比  162
    6．4．6 建议公式与ANSYS分析结果的对比  162-164
  6．5 本章小结  164-168
  附表6．1  168-170
第7章本文工作的总结与展望  170-173
  7．1 本文工作的总结  170-172
  7．2 进一步工作的设想  172-173
致谢  173

工字梁腹板在局部承压和剪力作用下的弹性屈曲及极限承载力

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