板件宽厚比和加劲肋

2020年02月25日 星期二

这里主要想讲的是钢标中宽厚比取值的来源及其应用,以及局部稳定加劲肋的原理。对于四边简支单向受压板件,类似于轴压杆欧拉荷载,有一个临界应力,其表达式可以通过板的弹性平衡微分方程求解得到,这里直接给出(出处可见于各类钢结构书籍讲到板的局部稳定部分,如《稳定》8.3节或是《基理》5.6节)……

​ 这里主要想讲的是钢标中宽厚比取值的来源及其应用,以及局部稳定加劲肋的原理。一直没有搞清楚宽厚比这玩意,趁一个下午好好研究下。

参考资料:

《钢结构稳定理论与设计》第五版 陈骥

《钢结构基本原理》沈祖炎

《钢结构稳定设计指南》陈绍蕃

​ 对于四边简支单向受压板件,类似于轴压杆欧拉荷载,有一个临界应力,其表达式可以通过板的弹性平衡微分方程求解得到,这里直接给出(出处可见于各类钢结构书籍讲到板的局部稳定部分,如《钢结构稳定理论与设计》8.3节或是《钢结构基本原理》5.6节): 这里为屈曲系数,取决于板长度和宽度比值。对于不同的边界条件,其值也不尽相同。

​ 可以看到临界应力与宽厚比平方成反比。也就是说宽厚比越大,临界应力越小,越容易失稳。就板件长宽比而言,理论上不能说越大越好或是越小越好,但当例如对于梁,腹板长度远大于腹板高度时,可以认为使局部板件长度减小是有益于增大临界应力的。类似于轴压杆的计算长度系数,这里的屈曲系数也与边界条件相关。

​ 相应的提高临界应力方法有:减小宽厚比,改变板件区格(即一方面改变长宽比,同时增加约束)。而采用加劲肋方法便是应用后面一种原理的体现。

​ 同样的,对于均匀受剪切简支板的弹性屈曲,可以得到相应临界应力公式。 注意到,故该临界应力也随宽厚比减小而增大。同时剪切屈曲系数随长宽比减小而增大。

​ 介绍了上述两类板的稳定后,就可以相应涉及到加劲肋了。加劲肋通常又有纵向、横向之分,有些不容易区分。在《钢结构稳定设计指南》中提到:

受压、受弯和兼受这两种力作用的板,起作用的都是纵向加劲肋,即和压应力作用线平行的加劲肋。

能借助纵向加劲肋减小板的宽厚比。

​ 对于受剪板:

不仅减小宽厚比可以增大临界应力,减小长宽比也能起到作用(提高剪切屈曲系数)。

故设置横向加劲肋和纵向加劲肋均是有效果的。然后书中提到:

从施工角度着眼,横向加劲肋要比纵向加劲肋制作方便,所以用的较多。如果采用横向加劲肋间距过小时,则可以和纵向加劲肋并用。

​ 对于上述的应用主要需要注意几点:

(1)在钢标里的S1、S2级等宽厚比等级是基于受压板件的稳定(这个在条文说明里由提到),使之具有不同的临界应力推导得到,而S5级临界应力是小于屈服应力的。

​ 对于压弯构件,腹板横截面正应力分布并不均匀,此时当然理论上也可以基于边界条件去求出屈曲系数。参考《钢结构基本原理》6.6.1“受弯构件中对板件的局部失稳临界应力”,可以看到此时临界应力与腹板正应力分布有关。对于翼缘而言:

工程构件翼缘的厚度尺寸与截面的高度尺寸相比要小得多,沿着翼缘厚度方向应力梯度不大,可以近似作为受压板件看待”。

这解释了为什么在钢标中压弯构件中宽厚比等级腹板多了一个参数

(2)不过在钢标中,对于受弯构件,腹板宽厚比限值又没有参数。其中的主要在于对于受弯构件此时,钢标中受弯梁宽厚比就是直接代入此数值来确定的。

(3)钢标6.3.2节第3款:

不考虑腹板屈曲后强度时,当时,宜配置横向加劲肋。

可以看到其限值是小于S4级梁腹板宽厚比的。相应的在6.6.3~6.6.5节中还规定需要通过公式验算。

​ 可以看到局部稳定并不直接采用宽厚比。对于出现上述现象原因,猜想应是极大因素:

①理想板件只受均匀压力或剪力情形,而实际的构件中板件应力可能是复杂的。由于实际应力比较复杂,故无法直接用受压板件的宽厚比来判断实际稳定性,而采用共同作用的表达式(类似于压弯构件稳定公式中轴力、弯矩的组合)。对于强度和稳定计算而言,由于基于的都是正应力,故可以采用宽厚比相关限值条件作为能否发展塑性的依据。

②不能简单采用弹性屈曲理论,而需要考虑初始缺陷和弹塑性。

(4)如果宽厚比没有达到条件,一般的需要通过设置加劲肋减少长宽比和设置边界约束,使在复杂应力作用下满足: 临界应力不小于实际工作应力。(规范中应该就是这么做的,当然这条还没详细论证)。

而理论上,也可以是(《钢结构基本原理》6.6.2节):

板件临界应力不小于构件整体稳定临界应力;(更松)

(5)不过上述规范中做法对于压弯构件就出现矛盾了。钢标8.4.1节中对于压弯构件的规定:满足S4级或以上就不用考虑局部失稳。(这应该是规范自身无法解释的地方)。相应的,对于轴压构件也是矛盾的。轴压构件理论上可视为压弯构件一种特殊情形,那么为什么标准中又对于轴压构件需要考虑板件局部稳定呢?

(6)支承加劲肋的依据?

本文感谢陈工的指教。

后几个问题等代探讨:

(1)梁翼缘不用考虑局部稳定?

(2)其他需要设置加劲肋的地方?

(3)加劲肋尺寸是应该如何选取的?

(4)柱底、墙底的加劲肋设置理由与用途?

《钢结构稳定设计指南》章节小结中提到:

加劲肋必须具有足够刚度,才能对板件起完全支承作用。

也就是说加劲肋也不是随便添加就可以了,而需满足一定尺寸要求。


更新于2020年2月27日 星期四 天气多云

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