Q460鋼雙跨連續(xù)梁穩(wěn)定性研究

屈海東

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，嘉峪關(guān) 735100）

Q460高強(qiáng)度焊接工字型截面雙跨連續(xù)梁是現(xiàn)階段連續(xù)梁結(jié)構(gòu)施工建設(shè)中常見的一種結(jié)構(gòu)類型。針對穩(wěn)定性進(jìn)行測試是雙跨連續(xù)連結(jié)構(gòu)在實(shí)踐應(yīng)用中充分發(fā)揮作用的重要前提條件。在具體的試驗(yàn)流程組織規(guī)劃中，主要應(yīng)用有限元分析方式對連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，確認(rèn)影響穩(wěn)定性的主要因素，進(jìn)一步采取有效措施提升連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 Q460高強(qiáng)鋼雙跨連續(xù)梁穩(wěn)定性試驗(yàn)的要點(diǎn)分析

1.1 試件設(shè)計(jì)分析

試驗(yàn)工作的開展需要依托試件作為基礎(chǔ)，因此在實(shí)踐設(shè)計(jì)的合理性和有效性上，需要達(dá)到一定的水平層次。在具體的試件設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合Q460高強(qiáng)度鋼的基本性質(zhì)，需要在試件的厚度上進(jìn)行合理控制。通常情況會(huì)選用厚度為3 mm的Q460級(jí)熱軋鋼板作為試件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)時(shí)鋼板加工采用線切割法進(jìn)行初步加工。焊接試件時(shí)，為了降低殘余變形現(xiàn)象的發(fā)生率，需輔助借助定位裝置固定鋼板，加工完成后繼續(xù)涂抹防銹蝕的化學(xué)材料，防止銹蝕現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

此外，為了防止試件本身發(fā)生局部的屈曲現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)過程中需結(jié)合規(guī)范為GB 50017—2017的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jì)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(jié)構(gòu)中腹板計(jì)算高度；fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。

1.2 材性試驗(yàn)分析

材料屬性的檢驗(yàn)也需要嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行。在彈性試驗(yàn)中，切割方式仍然選用線切割，通過截取方式形成獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)件。通過試件操作明確Q460高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力應(yīng)變變化狀態(tài)。材性試驗(yàn)的結(jié)果顯示，Q460高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與低碳鋼具有顯著的相似性[2]。

2 試驗(yàn)裝置類型與測量內(nèi)容分析

2.1 試驗(yàn)裝置類型分析

針對Q460鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性試驗(yàn)裝置主要包括支座裝置和加載裝置兩部分。在做好基礎(chǔ)裝置準(zhǔn)備后，進(jìn)行測量點(diǎn)的規(guī)劃和布置，為順利完成試驗(yàn)過程提供幫助。在支座裝置的準(zhǔn)備工作中，需結(jié)合雙跨連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)特征選用夾支支座。支座的底部用固定角鋼結(jié)構(gòu)起到約束作用，以防止截面處豎向移動(dòng)。支座設(shè)計(jì)需結(jié)合應(yīng)用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件形成初步模型，如圖1所示。

加載裝置的設(shè)置過程中，當(dāng)試件的整體穩(wěn)定度下降時(shí)，加載點(diǎn)的截面會(huì)同步出現(xiàn)豎向和側(cè)向位移。失穩(wěn)時(shí)間的延長還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致試件出現(xiàn)扭曲變形的問題，因此在加載應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)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(dǎo)，通過設(shè)置環(huán)狀裝置使得試件的荷載補(bǔ)充狀態(tài)更加穩(wěn)定。另外，環(huán)狀加載模式能保證加載方向本身的穩(wěn)定性。

2.2 測量點(diǎn)的布置與測試內(nèi)容分析

位移指標(biāo)是與穩(wěn)定性和安全性相關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)。試件出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，位移指標(biāo)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，在試驗(yàn)測量過程中，位移指標(biāo)是需要關(guān)注的關(guān)鍵指標(biāo)。但是，在試件結(jié)構(gòu)中，位于跨中加載點(diǎn)上的位移無法實(shí)現(xiàn)直觀測量。因此，通過觀察加載板的兩側(cè)區(qū)域焊接引出桿為判斷提供參考。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果簡要綜述

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，通過形成荷載位移相關(guān)曲線圖達(dá)到數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)，分別從豎向和橫向兩方面分析研究實(shí)踐應(yīng)用中的梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。加載初期，試件的位移指標(biāo)與荷載力的增加狀態(tài)呈現(xiàn)出正比關(guān)系；若荷載進(jìn)一步增加，初始階段形成的缺陷會(huì)使試件的高度出現(xiàn)下降，這時(shí)位移速率顯著增大，荷載與位移的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性狀態(tài)；到了加載的最后階段，位移會(huì)迅速出現(xiàn)增大趨勢。當(dāng)加載到最后階段，表明試件已經(jīng)出現(xiàn)彎曲失穩(wěn)的破壞性問題，荷載指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)[3]。

3 Q460高強(qiáng)度鋼雙跨連續(xù)梁穩(wěn)定性的有限元模擬分析

3.1 有限元模型的構(gòu)建

建立有限元模型時(shí)，需要考慮材料屬性、結(jié)構(gòu)特征以及加載形式等多方面的因素。合理選擇相應(yīng)的單元類型，可為有限元模型的構(gòu)建提供支持。隨后結(jié)合實(shí)際，按照網(wǎng)格尺寸構(gòu)建規(guī)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(huán)節(jié)需要注意的要點(diǎn)有以下兩個(gè)內(nèi)容。第一，合理選擇單元類型。結(jié)合探討的實(shí)際分析可知，在單元類型選擇時(shí)，可選的類型包括實(shí)體單元、梁結(jié)構(gòu)單元以及殼單元。第二，注重網(wǎng)格劃分與邊界條件的合理設(shè)置。網(wǎng)格劃分是在初步模型構(gòu)建完成后，在進(jìn)行后續(xù)工作劃分過程中，注意網(wǎng)格劃分的精確度和細(xì)致性。一方面要避免劃分精確度過高，導(dǎo)致時(shí)間成本上升。另一方面，要以計(jì)算結(jié)果的精確度作為考量指標(biāo)，有效控制網(wǎng)格劃分的密度。本文研究中設(shè)定的網(wǎng)格單元面積為 10 mm×10 mm[4]。

關(guān)于雙跨連續(xù)梁的邊界條件設(shè)置，需要結(jié)合主跨的邊支座截面設(shè)置約束節(jié)點(diǎn)。關(guān)于材料屬性的有限元設(shè)計(jì)，研究中應(yīng)用多折線模型進(jìn)行鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線的模擬，通過檢測方式對Q460高強(qiáng)度鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線中的強(qiáng)化階段和屈服階段進(jìn)行明確，構(gòu)成三折線模型結(jié)構(gòu)。

3.2 有限元分析的整體過程

本文的分析研究需借助專業(yè)的有限元分析軟件，設(shè)置求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實(shí)際問題，以數(shù)據(jù)分析的方式完成有限元整體分析過程。分析中，主要針對構(gòu)建跨中位置的單位荷載特征進(jìn)行分析，隨后獲取構(gòu)建的臨界屈曲荷載和階段性屈曲模態(tài)，再通過提取命令的方式，結(jié)合初始缺陷因素的影響，通過計(jì)算獲得階段性屈曲模態(tài)方向上的變形值與區(qū)模態(tài)之間的比例關(guān)系。同時(shí)，需輸入基礎(chǔ)材料屬性與殘余應(yīng)力的指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，獲得跨中位置上的荷載位移曲線數(shù)據(jù)。

3.3 主跨跨度與跨度比指標(biāo)對穩(wěn)定性的影響狀態(tài)分析

在影響因素方面，跨度比指標(biāo)與主跨跨度對雙跨連續(xù)梁的穩(wěn)定性影響顯著。這主要是由于各個(gè)階段梁結(jié)構(gòu)之間本身會(huì)產(chǎn)生相互約束。約束狀態(tài)下，整體量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力會(huì)同步受到影響，因此需要引入跨度比的相關(guān)參數(shù)，通過量化數(shù)據(jù)分析的方式對影響狀態(tài)進(jìn)行有限元分析。具體來說，有限元非線性分析過程中，穩(wěn)定度的表示指標(biāo)為扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，具體的計(jì)算公式如下：

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

在實(shí)踐計(jì)算過程中，若主跨跨度不發(fā)生變化，則扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)會(huì)保持不變，這時(shí)雙跨連續(xù)梁的極限彎矩會(huì)隨著跨度比的增加降低。

4 以受彎構(gòu)件為例探討Q460鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方式

4.1 結(jié)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算方法分析。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）是本文研究中設(shè)計(jì)工作開展時(shí)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化文件。Q460鋼材也是現(xiàn)階段橋梁工程建設(shè)中推薦使用的主要原材料類型，受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在實(shí)踐中需要以最大高度為參照指標(biāo)，對受彎構(gòu)件的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Mx為繞墻軸的最大彎矩設(shè)計(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N·mm-2；φb為量體的整體穩(wěn)定性系數(shù)。

量體穩(wěn)定性系數(shù)的具體計(jì)算公式如下：

式中：MCr為簡支梁的彈性臨界彎矩指標(biāo)。

式中 ：β1、β2、β3分別為固定系數(shù)值 ；EIy、GJ、EIω分別為界面的側(cè)向抗彎剛度、自由扭轉(zhuǎn)剛度和翹曲剛度；y0為剪心縱向坐標(biāo)；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(diǎn)的縱向坐標(biāo)到剪心縱坐標(biāo)的差值。

4.2 雙跨連續(xù)梁彈性臨界彎矩計(jì)算方法

在計(jì)算這項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)的過程中，由于Q460高強(qiáng)度鋼的生化連續(xù)梁極限彎矩的變化會(huì)影響量體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此需要針對臨界彎矩進(jìn)行有效準(zhǔn)確的計(jì)算。若整體結(jié)構(gòu)為雙軸對稱截面，則需要保證βy取值為0。隨后查詢相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)表格，可得簡支梁跨的中點(diǎn)荷載狀態(tài)下β的取值可分別設(shè)置為1.35、0.55和0.40，代入相關(guān)公式計(jì)算得出在集中荷載作用下有限元特征值屈曲分析結(jié)果。

結(jié)合拋物線方程進(jìn)行計(jì)算可知，跨度比的取值差異會(huì)影響扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和雙跨連續(xù)梁彈性臨界彎矩指標(biāo)。臨界彎矩與主跨區(qū)域的簡支梁臨界彎矩比值表達(dá)式為：

式中：A、B、C、D分別為系數(shù)指標(biāo)，會(huì)隨跨度比的變化而變化；MC為集中荷載背景下雙跨連續(xù)梁彈性臨界彎矩指標(biāo)；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(jì)算穩(wěn)定性時(shí)，結(jié)合公式的數(shù)據(jù)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)圖表的查驗(yàn)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)對Q460鋼雙跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算，并將分析計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于雙跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，使整體的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果更加合理有效。

5 結(jié)語

通過分析可知，在Q460鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的背景下，雙跨連續(xù)梁穩(wěn)定性研究需要針對影響穩(wěn)定性的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化Q460鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)與分析。具體的工程項(xiàng)目施工建設(shè)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合前期的設(shè)計(jì)要求和Q460鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)指標(biāo)完成穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。