浅谈受弯钢构件腹板的局部稳定性计算

浅谈受弯钢构件腹板的局部稳定性计算

霍曜明

广东城建达设计院有限公司广东佛山528200

摘要：钢构件是当前工程建设的重要形态，受屈曲应力作用，钢结构腹板的受力状况会发生较大变化，影响腹板整体的稳定性。本文对受弯钢构件腹板卷边、截面、腹板、翼缘等部位的变化状况进行计算，并就弹性局部屈曲应力计算过程进行检验。期望有利于腹板局部稳定性的提升，实现钢构件应用质量提升。

关键词：钢构件；受弯屈曲；腹板；稳定性

随着建筑工程的不断发展，钢构件在工程建设中的应用愈发普遍，与传统材料相比，钢构件具有较强的刚度和支撑性能。然在超荷载作用下，钢结构会发生受弯屈曲变形，并影响整体的稳定性。工程实践中，这一特征在腹板中的表现较为明显，文章就受弯钢构件腹板局部稳定性展开分析。

一、钢结构稳定性概述

钢结构具有具有较强的抗压和抗拉性能、稳定性，故而在工程建设中的应用较为普遍。通常情况下，钢结构的稳定性和其材料规格、厚度、长宽比具有较大影响。就型钢而言，其翼缘部位容易出现屈曲失稳状况，而普通钢材腹板位置的失稳现象较为严重；这对于建筑工程的稳定性和安全性造成较大影响。通常情况下，钢构件腹板的稳定性和卷边宽厚比、截面宽高比、腹板高厚比、翼缘宽厚比具有较大关系，在其影响下，构件的局部会发生弹性屈曲应力变形。因此要确保构件局部变形的规范化，就必须对各种因素的变化情况进行分析。

目前，弹性局部屈曲应力计算是钢构件稳定性衡量的重要方式。在计算过程中，工程建设人员应根据工程建设情况，进行钢构件的的局部受力模型构建，然后以此为基础，建立弹性局部屈曲引力简化计算式，并实现卷边宽厚比、截面宽高比、腹板高厚比、翼缘宽厚比等要素的计算。实践中，常用的板式屈曲应力计算式为：

式中，b和t分别表示翼缘的宽度和厚度；而E代表了钢材料的弹性模量；另外，v和k分别置材料泊松比和屈曲系数。

二、受弯钢构件腹板的局部稳定性计算分析

1、卷边宽厚比

卷边宽厚比是影响钢构件腹板局部稳定性的重要因素。通常情况下，卷边的宽厚比不同，其对于材料局部屈曲系数的影响也就不同。通常情况下，伴随着卷边厚底的增加，材料局部的屈曲系数会有所增加，然而该变化特征并没有单调性，及当宽厚比增加到一定比例时，材料的局部屈曲系数会逐渐降低。当卷边宽厚比约为9时，钢构件局部屈曲系数会达到极值点。工程实践中，为确保钢构件使用性能的良好，钢材料的卷边厚底比一般会保持在7~11之间。

目前，为实现卷边宽度比对局部屈曲系数影响的准确把控，人们常将两者的关系看做为二次函数，其表达式为：

式中，a1、a2和a3依次代表了钢材料腹板截面的宽高比、高厚比和翼缘宽厚比。

2、截面高宽比

钢构件应用中，高宽比直接决定决定了钢结构的截面面积。从工程建设过程来看，高宽比越低，其局部屈曲应力的承受能力就越小，而随着截面宽高比的增加，钢构件局部屈曲应力承受能力会逐渐增大，并且增幅会有所加快。有学者对钢构件腹板部位的截面宽高比进行设计，并观察不同高宽比状态下，截面的应力变形情况。结果如图1所示：

当截面宽高比增加到一定规格时，钢材料的局部屈曲应力承载能力会趋于稳定。在图1中，当截面宽高比的取值范围超过0.75时，局部屈曲应力增加速度明显放缓，并有趋于水平的趋势。由此可知，随着基面高宽比的增大，整个截面失稳的计算程度会相应减小，这使得构件发生布局屈曲的状况得以推迟，确保了构建稳定性的提升。并且从工程建设过程来看，随着钢构件高宽比的增加，其能有效的实现各种工况荷载的承担，具有较高的便捷性、经济性。从图中可知，当截面高宽比处于0.55~0.75时，钢结构抗屈曲应力的指标明显较大，因此在工程建设中，应注重这一特征的具体应用。

3、腹板高厚比

腹板即刚钢结构中心部位的板材，其能在剪力抵抗的同时，实现钢结构弯矩的有效承担，从而实现结构稳定性的提升[1]。譬如在型梁或板梁中，联系上下翼缘或T型梁翼缘以下的竖向板都可称之为腹板。腹板局部稳定性计算中，其高厚比的控制极为关键。通常情况下，腹板高厚比增加，则局部失稳状况就会更加严重。而当腹板高厚比超过140时，局部屈曲应力会逐渐减小，并且曲线具有区域水平的趋势，这说明此时钢构件局部屈曲的应用很小。需要注意的是，腹板对翼缘的约束会随着自身高厚比的增加而减弱，并且此时腹板失稳计算长度会有所增加，这导致了构件布局屈曲情况的加剧。结合腹板高厚比与局部屈曲应力的关系建议在工程建设中，钢结构腹板尺寸的高厚比不得超过140。

4、翼缘宽厚比

翼缘是T型钢和H型钢结构应用的主要形态。与腹板处受压应力相比，翼缘处的压应力存在滞后现象。并且离腹板越远，滞后现象越严重。实践过程中，翼缘宽厚比对于钢构件腹板的稳定性具有直接影响。工程建设中，构件翼缘压应力的分布不够不均匀，这使得翼缘宽厚比计算过程过长较为困难。从翼缘宽厚比和局部屈曲应力关系曲线来看，随着翼缘宽厚比的增加，屈曲应用会持续性的减小。

5、弹性局部屈曲应力计算检验

现阶段，为实现钢结构抗屈曲能力提升，确保建筑的稳定性，人们通常会在JG/T137-2007《结构用高频焊接薄壁H型钢》的指导下，对钢结构的局部屈曲应力公式进行检验，同时在相关比值代入的同时，与《结构用高频焊接薄壁H型钢》中的相关数据进行对比，确保弹性局部屈曲应力控制的规范，并在即是调整中，实现钢结构构件承载能力的提升，保证建筑使用安全。需注意的是，却确保弹性局部屈曲应力计算公式设计的合理，确保其与国家钢材料应用规范的统筹，在计算结果控制中，应确保其误差的严格控制。一般情况下，弹性局部屈曲应力计算公式结果的均值应保持在0.9991，而均方差应保持在4.31%，唯有如此，才能确保弹性局部屈曲应力简化计算式与工程设计要求的匹配。

结论

综上所述，受弯钢构件腹板的局部稳定性对于钢材料应用质量的提升具有重大影响。在实际工程中，H型钢和焊接工字型钢腹板相对较薄，更要注意腹板局部稳定验算。确保卷边宽厚比、截面高宽比、腹板高厚比、翼缘宽厚比控制的合理，工程建设人员首先应对这些要素进行系统设计，然后建立弹性局部屈曲应力计算公式，并对着这些参数取值进行检验，确保其与建筑钢材施工指标的匹配。唯有如此，才能确保钢构件腹板结构的稳定性，实现建筑整体安全性提升。

参考文献：

[1]赖天，董事尔.冷弯薄壁卷边H型钢受弯构件局部屈曲分析[J].钢结构，2017，32（8）：33-36.