波折腹板組合梁的受力性能綜述

徐德龍 開 璇 曹禎記

(江蘇省南京工程高等職業學校，江蘇 南京 211135)

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波折腹板組合梁的受力性能綜述

徐德龍 開 璇 曹禎記

(江蘇省南京工程高等職業學校，江蘇 南京 211135)

對比分析了波折腹板鋼梁與普通平腹板鋼梁的物理性能，從抗彎性能、抗剪性能、抗疲勞性能三方面，分析了波折鋼腹板的研究成果，指出波折腹板鋼梁安全、適用、經濟，必將具有良好的市場發展前景。

波折腹板，鋼梁，受力性能，屈曲承載力

1 概述

隨著建筑行業的快速發展，鋼結構的工程應用越來越多，對H型鋼的需求也越來越大，2013年，國內鋼結構需求量已達到3.65億t，國內外的專家學者們對H型鋼的研究也越來越深入。H型鋼加工制作簡單，安裝拆卸方便快捷，性能優越，在工程建設領域的應用越來越廣泛，如在橋梁、民用住宅、鋼結構廠房、公路等工程領域中已得到廣泛應用。在我國，H型鋼只占鋼結構用材的20%左右，具有較好的發展潛力[1-4]。

梯形波折腹板H形截面鋼構件作為一種新型構件，不僅具有較高的強度、剛度和穩定性，還具有良好的經濟性，在對產業化生產安裝高要求的現代化社會，這種新型構件的優勢正逐步被人們認識并開始應用于部分建筑中，可達到安全、適用、經濟的效果。隨著梯形波折腹板H形截面構件研究理論的日趨成熟，這種新型截面構件將會越來越多出現在工程領域中[5]。

目前建筑鋼結構中，實腹式受彎構件絕大部分采用H型鋼梁，普通平直腹板H型鋼是由上下翼緣和中間的腹板構成，構件截面形式多為等截面，為了避免腹板提前發生屈曲而降低梁的極限承載力，在設計時往往要控制腹板的高厚比。根據GB 50017—2003鋼結構設計規范[6]，腹板的高厚比不應超過250，且需要通過設置加勁肋提高腹板穩定性。工程中的H型鋼，往往通過設置加勁肋來提高腹板的局部穩定性。對于普通的鋼梁，腹板的用鋼量往往占鋼梁的總用鋼量的60%左右，而腹板本身主要承受的剪力較小，沒有充分利用其材料強度。另一方面，加勁肋與腹板和翼緣之間通常采用焊縫連接，過多的焊縫連接降低了鋼梁的疲勞強度，增加了人工成本，既不經濟也不安全，而且施工復雜。針對這種情況，一部分結構力學專家最初在分析深梁的腹板穩定性問題時，認識到平直腹板平面外剛度過低容易屈曲的缺陷，首先提出了在H型鋼或者工字型鋼中用波折腹板代替平腹板的建議。波折腹板H型鋼就是用波折腹板代替普通平直腹板，通過將平直腹板波折，能夠以較薄的腹板厚度為梁提供較大的平面外剛度和較高的抗剪切強度，同時減少了縱向加勁肋。波折腹板一般采取冷加工波折，這樣減少了焊接形成的焊縫，可以提高梁的疲勞壽命[7-9]。

波折腹板的截面形狀有正弦波形、梯形、矩形、折線形等[10]，如圖1所示。目前工程應用主要以正弦波形和梯形為主。梯形波折腹板H形截面組合梁具有良好的強度、剛度和穩定性，而且無論從受力特點和經濟效益角度都要優于普通平腹板H型鋼。隨著波折腹板梁的優點被人們不斷認識，這種新型結構形式的鋼梁將在工程中逐步被廣泛應用。

2 波折鋼腹板的國內外研究成果

2.1 國外主要研究成果

人們最早從20世紀50年代就開始了對波折腹板H型鋼的研究，通過大量研究發現：和普通平直腹板相比，波折腹板的主要優勢在于極強的抗剪切能力。于是各國學者開始對波折腹板的抗彎性能、抗剪性能、疲勞性能等其他各個方面的性能進行了研究，取得了部分成就。

1)抗彎性能研究。

在波折腹板梁的研究過程中，根據腹板所起的作用，國外專家學者對波折腹板的抗剪性能的研究要早于抗彎性能的研究。直到70年代，國外才開始對波折腹板鋼梁的抗彎強度開始進行理論分析。

1979年，匈牙利的Korashy和Varga通過實驗對波折腹板鋼梁與普通平直腹板鋼梁二者之間的抗彎強度區別進行了對比分析[11，12]。

后來，德國學者Linder對腹板屈曲強度的影響因素進行了研究[13]。馬來西亞的chan等學者也研究了在提高整體抗彎強度和翼緣屈曲強度方面，正弦波紋腹板比普通平直腹板突出的優勢，研究和實驗表明：與普通平腹板相比，波折腹板能為翼緣提供更有力的支持[13，14]。

2003年，埃及的Sayed-Ahmed等對梯形波折腹板鋼梁的側向穩定性運用有限元方法進行了理論分析研究，研究得出：梯形波折腹板鋼梁的側向抗扭能力比普通平直腹板梁提高了15%～37%，波折腹板鋼梁仍可以采用普通平直腹板鋼梁的臨界彎矩公式，而且是偏安全的[15]。

2006年，Abbas等對梯形波折腹板工字型鋼梁在跨中集中力作用下的受力特點進行了理論分析研究，并且給出了在跨中集中力作用下，梯形波折腹板工字型鋼梁的整體穩定計算公式[16]。

歐洲規范EC3[17]中，考慮到梁的承載能力受到翼緣彎扭失穩的影響，在計算波折腹板鋼梁的抗彎承載力時，提出了通過強度折減系數對抗彎承載力計算值進行折減。

2)抗剪性能研究。

隨著波折腹板逐步在實踐中得到應用，各國學者也開始展露出對波折腹板的研究興趣。瑞典學者[18，19]從基本理論出發，針對平直腹板和波折腹板的剪切性能區別做了相關的實驗研究，也針對波折腹板H型鋼梁的幾何參數與剪切屈曲強度之間的關系做了分析。

Smith在1992年采用了相同波紋、不同腹板厚度的一組波折腹板H型鋼梁進行了實驗，實驗結果是腹板發生剪切屈曲破壞[20]。

3)抗疲勞性能研究。

相比于對波折腹板抗彎和抗剪性能的研究，國外對波折腹板H型鋼梁的抗疲勞研究較少，但也獲得了一些研究成果。1965年，英國通過做波紋腹板梁的破壞性試驗，開始探索這種新型結構的特點[21]。20世紀80年代，Allan.B通過對波折腹板H型鋼梁施加單調和循環荷載來研究其疲勞性能[22]。2006年，Sauce等對梯形波折腹板H型鋼梁的抗疲勞性能進行了破壞性試驗研究，實驗結果表明：疲勞裂縫首先出現在受彎區腹板斜向段和梁翼緣焊接的部位，然后裂縫沿翼緣發展，波折腹板與有加勁肋的平腹板鋼梁比，抗疲勞性能有很大提高[26-28]。

2.2 國內主要研究成果

我國原東北重型機械學院于1985年成功軋制出世界上第一根正弦波形波折腹板H型鋼。常福清教授等根據能量原理分析了正弦波形波折腹板H型鋼梁的屈曲性能，并推出了波折腹板的屈曲臨界力公式和塑性失穩公式，并證明波折后的腹板具有良好的穩定性[29,30]。

燕山大學的李艷文等運用能量法分析了正弦波形波折腹板的抗屈曲性能，后來通過試驗研究證明了自己之前的理論分析，對波折腹板H型鋼梁結構的尺寸進行了優化，并得出一些波折腹板H型鋼梁的優化標準[31]。

張哲，李國強，孫飛飛從彈性穩定和彈塑性穩定兩個方面對波折腹板的穩定性進行了研究。彈性分析中，提出了新的截面翹曲常數的計算方法，計算公式簡單，應用方便，并經有限元驗證新的計算方法具有較高的準確性。在分析彈塑性穩定過程中，分析了梁的跨度、波折腹板的波高、波折傾斜段的傾角等參數對梁的穩定承載力的影響，并通過有限元模擬，證明計算方法是準確有效的[32]。

李時，郭彥林運用非線性有限元分析方法，對波折腹板鋼梁在剪力作用下的破壞特點進行了理論分析，并且考慮了大變形與幾何初始缺陷，研究結果表明：波折腹板鋼梁的抗剪承載力明顯高于普通平腹板工字鋼梁[32]。

蔣萌，黃炳生考慮了幾何非線性和材料非線性，通過對設置加勁肋的鋼梁和折線形腹板鋼梁進行有限元分析，研究折線形腹板鋼梁的受力性能，研究表明：折線形腹板的相鄰板件互相約束，提高了腹板的屈曲承載力，但強度還是比腹板設置加勁肋的鋼梁低，并且經過試驗分析研究后，有限元分析結果和試驗中測得的值吻合的較好[32]。

3 結論和展望

波折腹板H形截面鋼梁能夠以較薄的腹板厚度提供較大的平面外剛度，而且可以提高腹板的屈曲承載力。波折腹板相比于普通平腹板厚度較薄，可以節約大量鋼材以降低工程造價，工廠預制也加快了建設工期，在工程實踐中的應用越來越廣泛。隨著科研人員和工程技術人員對這種新型結構形式的進一步研究，波折腹板鋼梁必將具有良好的市場發展前景。

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Outline on stress performance of corrugated web composite beam

Xu Delong Kai Xuan Cao Zhenji

(JiangsuNanjingHigherVocationalSchoolofEngineering,Nanjing211135,China)

The paper comparatively analyzes the physical properties of corrugated web steel beam and common plane web steel beam, analyzes corrugated web steel beam research achievements from three aspects of flexural performance, anti-shearing performance and anti-fatigue performance, and finally pints out advantages of corrugated web steel beam, such as safe, applicable and economic. Therefore, it will have great market development prospect.

corrugated web, steel beam, stress performance, buckling bearing capacity

1009-6825(2017)17-0045-03

2017-03-08

徐德龍(1988- )，男，助教

TU312

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