Q460鋼雙跨連續梁穩定性研究

屈海東

（甘肅鋼鐵職業技術學院，嘉峪關 735100）

Q460高強度焊接工字型截面雙跨連續梁是現階段連續梁結構施工建設中常見的一種結構類型。針對穩定性進行測試是雙跨連續連結構在實踐應用中充分發揮作用的重要前提條件。在具體的試驗流程組織規劃中，主要應用有限元分析方式對連續梁結構的穩定性進行模擬分析，確認影響穩定性的主要因素，進一步采取有效措施提升連續梁結構的穩定性。

1 Q460高強鋼雙跨連續梁穩定性試驗的要點分析

1.1 試件設計分析

試驗工作的開展需要依托試件作為基礎，因此在實踐設計的合理性和有效性上，需要達到一定的水平層次。在具體的試件設計過程中，結合Q460高強度鋼的基本性質，需要在試件的厚度上進行合理控制。通常情況會選用厚度為3 mm的Q460級熱軋鋼板作為試件設計的基礎。設計時鋼板加工采用線切割法進行初步加工。焊接試件時，為了降低殘余變形現象的發生率，需輔助借助定位裝置固定鋼板，加工完成后繼續涂抹防銹蝕的化學材料，防止銹蝕現象的發生[1]。

此外，為了防止試件本身發生局部的屈曲現象，在設計過程中需結合規范為GB 50017—2017的鋼結構設計標準進行鋼截面受壓翼緣外伸寬度和厚度的有效控制保證。具體的寬度與厚度比值要求計算公式如下：

式中：b為鋼截面受壓翼緣外伸厚度；t為鋼截面受壓翼緣外伸厚度；h0為鋼結構中腹板計算高度；fy為鋼材的屈服強度。

1.2 材性試驗分析

材料屬性的檢驗也需要嚴格按照相應的標準規范要求進行。在彈性試驗中，切割方式仍然選用線切割，通過截取方式形成獨立的標準件。通過試件操作明確Q460高強度鋼的應力應變變化狀態。材性試驗的結果顯示，Q460高強度鋼的應力應變狀態與低碳鋼具有顯著的相似性[2]。

2 試驗裝置類型與測量內容分析

2.1 試驗裝置類型分析

針對Q460鋼結構的穩定性試驗裝置主要包括支座裝置和加載裝置兩部分。在做好基礎裝置準備后，進行測量點的規劃和布置，為順利完成試驗過程提供幫助。在支座裝置的準備工作中，需結合雙跨連續梁的結構特征選用夾支支座。支座的底部用固定角鋼結構起到約束作用，以防止截面處豎向移動。支座設計需結合應用專業的設計軟件形成初步模型，如圖1所示。

加載裝置的設置過程中，當試件的整體穩定度下降時，加載點的截面會同步出現豎向和側向位移。失穩時間的延長還會進一步導致試件出現扭曲變形的問題，因此在加載應力時應當注重加載方向加載力度的合理控制。加載方式以重力加載為主導，通過設置環狀裝置使得試件的荷載補充狀態更加穩定。另外，環狀加載模式能保證加載方向本身的穩定性。

2.2 測量點的布置與測試內容分析

位移指標是與穩定性和安全性相關的關鍵指標。試件出現失穩狀態時，位移指標會發生相應的變化。因此，在試驗測量過程中，位移指標是需要關注的關鍵指標。但是，在試件結構中，位于跨中加載點上的位移無法實現直觀測量。因此，通過觀察加載板的兩側區域焊接引出桿為判斷提供參考。

2.3 試驗結果簡要綜述

總結試驗結果時，通過形成荷載位移相關曲線圖達到數據分析的目標，分別從豎向和橫向兩方面分析研究實踐應用中的梁結構穩定性。加載初期，試件的位移指標與荷載力的增加狀態呈現出正比關系；若荷載進一步增加，初始階段形成的缺陷會使試件的高度出現下降，這時位移速率顯著增大，荷載與位移的關系轉變為非線性狀態；到了加載的最后階段，位移會迅速出現增大趨勢。當加載到最后階段，表明試件已經出現彎曲失穩的破壞性問題，荷載指標已經達到極限狀態[3]。

3 Q460高強度鋼雙跨連續梁穩定性的有限元模擬分析

3.1 有限元模型的構建

建立有限元模型時，需要考慮材料屬性、結構特征以及加載形式等多方面的因素。合理選擇相應的單元類型，可為有限元模型的構建提供支持。隨后結合實際，按照網格尺寸構建規格合理的幾何模型，得到最終的有限元整體模型。其中，在單元類型的選擇環節需要注意的要點有以下兩個內容。第一，合理選擇單元類型。結合探討的實際分析可知，在單元類型選擇時，可選的類型包括實體單元、梁結構單元以及殼單元。第二，注重網格劃分與邊界條件的合理設置。網格劃分是在初步模型構建完成后，在進行后續工作劃分過程中，注意網格劃分的精確度和細致性。一方面要避免劃分精確度過高，導致時間成本上升。另一方面，要以計算結果的精確度作為考量指標，有效控制網格劃分的密度。本文研究中設定的網格單元面積為 10 mm×10 mm[4]。

關于雙跨連續梁的邊界條件設置，需要結合主跨的邊支座截面設置約束節點。關于材料屬性的有限元設計，研究中應用多折線模型進行鋼材應力應變曲線的模擬，通過檢測方式對Q460高強度鋼應力應變曲線中的強化階段和屈服階段進行明確，構成三折線模型結構。

3.2 有限元分析的整體過程

本文的分析研究需借助專業的有限元分析軟件，設置求解結構穩定性的實際問題，以數據分析的方式完成有限元整體分析過程。分析中，主要針對構建跨中位置的單位荷載特征進行分析，隨后獲取構建的臨界屈曲荷載和階段性屈曲模態，再通過提取命令的方式，結合初始缺陷因素的影響，通過計算獲得階段性屈曲模態方向上的變形值與區模態之間的比例關系。同時，需輸入基礎材料屬性與殘余應力的指標進行綜合分析，獲得跨中位置上的荷載位移曲線數據。

3.3 主跨跨度與跨度比指標對穩定性的影響狀態分析

在影響因素方面，跨度比指標與主跨跨度對雙跨連續梁的穩定性影響顯著。這主要是由于各個階段梁結構之間本身會產生相互約束。約束狀態下，整體量結構的穩定性和承載力會同步受到影響，因此需要引入跨度比的相關參數，通過量化數據分析的方式對影響狀態進行有限元分析。具體來說，有限元非線性分析過程中，穩定度的表示指標為扭轉剛度系數，具體的計算公式如下：

式中：GJ為截面的自由扭轉剛度；EIw為截面的翹曲剛度指標；L12為雙跨連續梁的主跨長度指標。

在實踐計算過程中，若主跨跨度不發生變化，則扭轉剛度系數會保持不變，這時雙跨連續梁的極限彎矩會隨著跨度比的增加降低。

4 以受彎構件為例探討Q460鋼結構構件的整體穩定性設計方式

4.1 結合設計標準的基礎構件穩定性計算方法分析。

《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）是本文研究中設計工作開展時主要依據的標準化文件。Q460鋼材也是現階段橋梁工程建設中推薦使用的主要原材料類型，受彎構件的整體穩定性設計在實踐中需要以最大高度為參照指標，對受彎構件的穩定性進行計算，計算公式如下：

式中：Mx為繞墻軸的最大彎矩設計值，N·mm；Wx為繞墻軸地梁毛截面模量，mm3；fb為剛才的抗曲彎強度設計值，N·mm-2；φb為量體的整體穩定性系數。

量體穩定性系數的具體計算公式如下：

式中：MCr為簡支梁的彈性臨界彎矩指標。

式中 ：β1、β2、β3分別為固定系數值 ；EIy、GJ、EIω分別為界面的側向抗彎剛度、自由扭轉剛度和翹曲剛度；y0為剪心縱向坐標；I1、I2分別為受壓或受拉翼緣對y周的慣性矩；a為荷載在界面上的作用點的縱向坐標到剪心縱坐標的差值。

4.2 雙跨連續梁彈性臨界彎矩計算方法

在計算這項數據指標的過程中，由于Q460高強度鋼的生化連續梁極限彎矩的變化會影響量體結構的穩定性，因此需要針對臨界彎矩進行有效準確的計算。若整體結構為雙軸對稱截面，則需要保證βy取值為0。隨后查詢相關的標準化數據表格，可得簡支梁跨的中點荷載狀態下β的取值可分別設置為1.35、0.55和0.40，代入相關公式計算得出在集中荷載作用下有限元特征值屈曲分析結果。

結合拋物線方程進行計算可知，跨度比的取值差異會影響扭轉剛度系數和雙跨連續梁彈性臨界彎矩指標。臨界彎矩與主跨區域的簡支梁臨界彎矩比值表達式為：

式中：A、B、C、D分別為系數指標，會隨跨度比的變化而變化；MC為集中荷載背景下雙跨連續梁彈性臨界彎矩指標；MCr為集中荷載作用下主跨部分作為簡支梁的彈性臨界彎矩[5]。

計算穩定性時，結合公式的數據結果和標準化數據圖表的查驗結果，可實現對Q460鋼雙跨連續梁結構的穩定性系數的計算，并將分析計算結果應用于雙跨連續梁結構，使整體的連續梁結構設計效果更加合理有效。

5 結語

通過分析可知，在Q460鋼結構應用的背景下，雙跨連續梁穩定性研究需要針對影響穩定性的相關技術，結合標準化Q460鋼結構應用設計要求進行相應的數據設計與分析。具體的工程項目施工建設中，應當結合前期的設計要求和Q460鋼結構的標準化設計數據指標完成穩定性設計。