基于蒙皮效應鋼梁的靜力性能研究

杜運興　俞揚　孫倩

摘要：采用數值試驗的方法分析了基于蒙皮效應的鋼梁在靜力情況下的力學性能.給出了該新型鋼梁的應力分布情況，并與H型鋼梁、箱型鋼梁的承載能力進行了比較.研究表明，相同跨度、相同質量的新型鋼梁具有更高的承載能力，并且隨著跨度的增加，合理設計的新型梁的承載力具有更加明顯的優勢.

關鍵詞：承載力；蒙皮效應；有限元分析；整體穩定；局部穩定

中圖分類號：TU391文獻標識碼：AStudy on Static Behavior of Steel Beam Based on Membrane Effect

鋼梁是鋼結構中重要的受力構件，在結構中承擔著重要的功能，在建筑結構中具有較多的應用，因而，降低鋼梁的用鋼量對整個結構用鋼量的降低具有至關重要的作用，也符合綠色結構發展的要求.為了降低鋼梁的用鋼量，近年來出現了不少新型薄壁鋼梁，如空翼緣梁、X形截面梁及空腹鋼梁等.這些鋼梁都不同程度地減輕了鋼梁的自重.本文根據蒙皮效應的原理提出了一種更為合理的新型鋼梁.薄蒙皮效應已被廣泛應用于工程領域，許多學者對蒙皮效應進行了研究.例如美國學者Luttrell[1]在試驗中考慮了反復荷載作用對蒙皮性能的影響，并提出了半經驗的受力蒙皮板抗剪剛度公式；英國學者 Bryan[2-3]等針對蒙皮剛度問題進行了大量試驗，最終給出了蒙皮板柔度、強度的計算方法.這些研究成果表明，考慮薄鋼板的薄蒙皮效應后，可以顯著地提高結構的剛度及承載力.基于蒙皮效應的鋼梁就是通過在鋼梁兩側設置薄鋼板及內部支撐結構，充分發揮兩側薄鋼板的蒙皮效應，以提高構件整體穩定性及剛度.

鋼梁的穩定性直接影響其承載力，目前研究鋼梁穩定性的方法主要有3類：第一類，采用理論方法進行推導，然后應用有限元理論進行復核.例如，童根樹等對橫向正應力對鋼梁整體穩定性的影響采用板件穩定理論的方法進行了研究[4]；并應用非線性力學對穩定問題的變分原理，提出了受橫向荷載的雙軸對稱截面梁的新的臨界彎矩計算公式[5]，并用有限元軟件復核.周芬等[6]采用能量理論推導了上下翼緣同時受荷的工字型鋼梁整體穩定計算公式，并用有限元進行了分析.第二類，采用有限元進行分析，在此基礎上進行歸納.這種方法往往適合理論公式難以推導的情況.例如，秦樺等[7]運用有限元程序，對單軸對稱工字形截面懸臂鋼梁的整體穩定性進行分析，得到懸臂梁彎扭屈曲的臨界荷載.第三類，通過實驗方法來研究鋼梁的穩定性.例如，王亮等[8]通過對工字型截面組合鋼梁整體穩定性實驗結果進行分析，找出影響試驗結果精度的因素.基于蒙皮效應的鋼梁結構復雜，理論研究非常困難，采用數值實驗研究更為方便，以下研究將采用數值實驗分析新型鋼梁的力學性能.

湖南大學學報（自然科學版）2013年第5期杜運興等：基于蒙皮效應鋼梁的靜力性能研究1基于蒙皮效應鋼梁的組成

減少用鋼量原則：1） 在外部荷載作用下鋼梁的各個組成部分盡可能地承受單向荷載效應，從而保證各個部件都能夠發揮其承載能力；2） 要求梁結構內部的受壓部件有足夠的側向支承，以便盡可能地減少失穩的可能性；3） 要求梁結構內部各個部件盡可能處于受拉狀態，盡量減少失穩的可能性.因此，基于蒙皮效應的鋼梁結構由3部分構成：豎向支承結構、側面蒙皮板、上下翼緣板，這3部分是一個有機的整體，如圖1所示（上部鋼板及一端側鋼板沒有顯示）.