縱向筋端部的應力集中問題

房佳

摘 要：該文基于ANSYS有限元軟件，以卸船機大梁上的翼板及翼板上的縱向筋為例，探討縱向筋的端部設計。對端部設計中的一些參數：倒角和縱向筋板厚，進行了逐步分析，并且提出了結論。

關鍵詞：縱向筋 應力集中 倒角

中圖分類號：TK223.11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0105-03

在大型薄壁鋼結構中，我們經常能看到薄壁結構為了解決薄壁板的屈曲問題而增加縱向筋，比如抓斗卸船機或者集裝箱岸橋門架或者前后大梁箱型截面；龍門起重機的主梁；大型薄壁圓管等，都在薄壁的腹板或者翼板上沿縱向增加角鋼來保持薄板受壓時不發生屈曲?？v向筋通常分為斷開的和連續的2種，斷開的縱向筋是指在靠近橫隔板處或者其他不需要連續的地方截止；連續的縱向筋指的是縱向筋在遇到橫隔板時依然保持貫通或者從兩側分別焊接在橫隔板上。這里討論的問題是斷開的縱向筋端點處的應力集中問題，以及如何讓載荷平順地通過縱向筋的端點，這是每一個設計者在實際結構細節設計中都需要考慮的問題。在細部設計中，筋板的厚度、筋板在端點處的倒角等，都是設計應該考慮的參數。

為了便于說明問題，這里用ANSYS軟件做了大量的有限元計算，來給該文的觀點以支持。在這里，我們認為通過ANSYS軟件計算的結構在單元劃分合理的情況下，結果是可以用于比較與分析的。為了便于對各種不同的參數下的計算結果進行比較，所有的計算模型都采用了相同的邊界條件即：相同的、有代表性的載荷和相同的約束。計算模型的不同僅體現在上述所說的端點的形狀、筋板的厚度方面。

1 縱向筋端部倒角對翼板應力的影響

在設計中，當截面尺寸（寬、高、板厚）和載荷確定的時候，縱向筋的合理截面尺寸和布置尺寸也隨之可以確定?？v向筋的布置基于2個方面的考慮：（1）防止翼板發生區間性的屈曲；（2）防止縱向筋和翼板組成的構件發生整體失穩。但是在被橫隔板斷開的縱向筋端部的翼板會形成一個應力集中區域，應力集中的大小取決于多種因素，如：縱向筋端部的形狀、縱向筋終止點離橫隔板的距離、縱向筋相對于翼板的截面占比（即相對板厚）等。該文主要探討的是縱向筋端部形狀和板厚對應力集中系數的影響。

圖1所示為某抓斗卸船機前大梁的斷面圖。為了專注于縱向筋端部形狀和截面占比對應力集中的影響，這里不討論橫隔板本身造成的影響。把一塊未經倒角的板沿著受力方向焊接在一塊平板（翼板）上（見圖2），與之相比較的是一塊經過倒角的縱向筋（見圖3），平板所受的載荷相同的情況下，未倒角的縱向筋相對的平板上產生了更大的應力集中現象。見圖4、圖5，通過比較，可以看出由于縱向筋的截面變化引起了翼板上應力分布的變化，最為明顯的是應力集中點的應力突然變大現象，截面變化更大的圖4產生的應力集中現象也更嚴重。同時，兩圖中的橫隔板應力分布也有輕微區別，這也是橫隔板形狀改變之后力流發生輕微改變的原因造成的。

2 縱向筋的相對板厚

在實際的結構設計中，我們選定了縱向筋的面積和慣性矩特征，但對于和翼板相連接的縱向筋板厚無從選擇，這里給出一組簡單的計算結果，從翼板的應力集中情況來選擇合理的縱向筋板厚。

圖6至圖11是翼板為10 mm時，縱向筋板厚分別為6、8、10、14、16、20 mm厚時承受同樣軸力情況下的部件應力圖。

由圖6至圖11可知，在其他條件都不變的情況下，縱向筋的板厚增加會引起翼板的局部應力變大，應力集中系數由1.3增加至1.45。也就是說，縱向筋的板厚增加對翼板的應力集中具有負面影響。在設計時應該在滿足設計條件的基礎上盡量減小縱向筋和翼板連接處的板厚。

3 結論

理論上說，彈性體在受力截面形狀發生變化時會出現應力變化，在截面或者局部形狀出現突變時會出現急劇的應力變化。在一塊受力板上打孔、切邊、焊接鋼板都是形狀的突變，會造成應力集中現象。

為減小應力集中現象，最為有效的方法就是改善受力構件的局部形狀突變。實施的方式就是讓形狀變化更緩一些，這樣有助于應力的重新均勻分布。

把縱向筋的端部設計成倒角造型，是為了讓整個受力截面在端部平緩過渡。可以預見，倒角越是平緩，翼板的應力集中現象越是緩和，越有利于降低翼板在局部的工作應力狀態，從而可以提高翼板的整體應力利用狀態，圖3中縱向筋的端部倒角為1∶4。

同樣，在其他條件不變的情況下，縱向筋的厚度增加讓局部形狀變化增大，從而使應力集中現象更加嚴重。因此，縱向筋的連接板厚減薄對緩解翼板應力集中有益。

4 結語

通過分析，對縱向筋端部的翼板應力集中情況有了一些了解；對在工作中考慮如何處理相關的細節設計有了一個思路；在考慮疲勞許用應力時也應當考慮翼板應力集中現象的影響。

參考文獻

[1] 中國工程建設標準化協會組織編寫.鋼結構設計規范[M].中國建筑工業出版社，2006.

[2] 李黎.結構力學[M].華中科技大學出版社，2015.