縱向筋端部的應(yīng)力集中問題

房佳

摘 要：該文基于ANSYS有限元軟件，以卸船機(jī)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(shè)計(jì)。對端部設(shè)計(jì)中的一些參數(shù)：倒角和縱向筋板厚，進(jìn)行了逐步分析，并且提出了結(jié)論。

關(guān)鍵詞：縱向筋 應(yīng)力集中 倒角

中圖分類號：TK223.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（a）-0105-03

在大型薄壁鋼結(jié)構(gòu)中，我們經(jīng)常能看到薄壁結(jié)構(gòu)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(jī)或者集裝箱岸橋門架或者前后大梁箱型截面；龍門起重機(jī)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(shí)不發(fā)生屈曲。縱向筋通常分為斷開的和連續(xù)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(xù)的地方截止；連續(xù)的縱向筋指的是縱向筋在遇到橫隔板時(shí)依然保持貫通或者從兩側(cè)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(diǎn)處的應(yīng)力集中問題，以及如何讓載荷平順地通過縱向筋的端點(diǎn)，這是每一個(gè)設(shè)計(jì)者在實(shí)際結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中都需要考慮的問題。在細(xì)部設(shè)計(jì)中，筋板的厚度、筋板在端點(diǎn)處的倒角等，都是設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的參數(shù)。

為了便于說明問題，這里用ANSYS軟件做了大量的有限元計(jì)算，來給該文的觀點(diǎn)以支持。在這里，我們認(rèn)為通過ANSYS軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)在單元?jiǎng)澐趾侠淼那闆r下，結(jié)果是可以用于比較與分析的。為了便于對各種不同的參數(shù)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，所有的計(jì)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(jì)算模型的不同僅體現(xiàn)在上述所說的端點(diǎn)的形狀、筋板的厚度方面。

1 縱向筋端部倒角對翼板應(yīng)力的影響

在設(shè)計(jì)中，當(dāng)截面尺寸（寬、高、板厚）和載荷確定的時(shí)候，縱向筋的合理截面尺寸和布置尺寸也隨之可以確定。縱向筋的布置基于2個(gè)方面的考慮：（1）防止翼板發(fā)生區(qū)間性的屈曲；（2）防止縱向筋和翼板組成的構(gòu)件發(fā)生整體失穩(wěn)。但是在被橫隔板斷開的縱向筋端部的翼板會(huì)形成一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)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(diǎn)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(yīng)力集中系數(shù)的影響。

圖1所示為某抓斗卸船機(jī)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(yīng)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)生了更大的應(yīng)力集中現(xiàn)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(yīng)力分布的變化，最為明顯的是應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力突然變大現(xiàn)象，截面變化更大的圖4產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象也更嚴(yán)重。同時(shí)，兩圖中的橫隔板應(yīng)力分布也有輕微區(qū)別，這也是橫隔板形狀改變之后力流發(fā)生輕微改變的原因造成的。

2 縱向筋的相對板厚

在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果，從翼板的應(yīng)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(shí)，縱向筋板厚分別為6、8、10、14、16、20 mm厚時(shí)承受同樣軸力情況下的部件應(yīng)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(huì)引起翼板的局部應(yīng)力變大，應(yīng)力集中系數(shù)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(yīng)力集中具有負(fù)面影響。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該在滿足設(shè)計(jì)條件的基礎(chǔ)上盡量減小縱向筋和翼板連接處的板厚。

3 結(jié)論

理論上說，彈性體在受力截面形狀發(fā)生變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力變化，在截面或者局部形狀出現(xiàn)突變時(shí)會(huì)出現(xiàn)急劇的應(yīng)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(huì)造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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

把縱向筋的端部設(shè)計(jì)成倒角造型，是為了讓整個(gè)受力截面在端部平緩過渡。可以預(yù)見，倒角越是平緩，翼板的應(yīng)力集中現(xiàn)象越是緩和，越有利于降低翼板在局部的工作應(yīng)力狀態(tài)，從而可以提高翼板的整體應(yīng)力利用狀態(tài)，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(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重。因此，縱向筋的連接板厚減薄對緩解翼板應(yīng)力集中有益。

4 結(jié)語

通過分析，對縱向筋端部的翼板應(yīng)力集中情況有了一些了解；對在工作中考慮如何處理相關(guān)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)有了一個(gè)思路；在考慮疲勞許用應(yīng)力時(shí)也應(yīng)當(dāng)考慮翼板應(yīng)力集中現(xiàn)象的影響。

參考文獻(xiàn)

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