一种新型薄壁钢管-钢板组合式钢腹板力学行为研究

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带肋薄壁方钢管再生块体混合柱力学性能研究

带肋薄壁方钢管再生块体混合柱力学性能研究郑玉今;张平【摘要】Based on the circumstance with the same steel consumption, the paper undertakes the axial test on the ribbed thin-walled square steel pipe and the regeneration block mixed column of the enlarged section thin-walled steel pipe, and indicates the ultimate axial pressure bearing ca- pacity of the ribbed trials and the enlarged section one are improved greatly by the comparison and analysis,%在用钢量相同的情况下，进行了带肋薄壁方钢管和加大截面薄壁方钢管再生块体混合柱的轴压试验，通过对比分析，带肋试件和加大截面试件的极限轴压承载力均有很大的提高。

【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2012(038)031【总页数】3页(P46-48)【关键词】薄壁方形钢管;带肋;再生块体;荷载一变形【作者】郑玉今;张平【作者单位】延边大学,吉林延边133002;天津天朗建筑设计有限公司,天津300392【正文语种】中文【中图分类】TU375.30 引言随着建筑业的快速发展，建筑物拆除过程中产生大量的建筑垃圾，其中30%～40%为废弃混凝土，由此引起的资源浪费、环境污染等问题已受到学术界和工程界的高度重视。

目前，国内外学者对采用废弃混凝土作为再生骨料配置成的再生混凝土进行了较多的研究［1，2］，并将应用于道路和建筑物基础垫层［3］以及钢筋混凝土建筑结构工程中［4，5］。

然而，相对于普通混凝土，再生混凝土强度、弹性模量较低、耐久性能较差且工程成本较高，不利于其在实际工程结构中的应用。

冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究

第50 卷第 5 期2023年5 月Vol.50，No.5May 2023湖南大学学报（自然科学版）Journal of Hunan University（Natural Sciences）冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究邓露1，2†，蔡宇琪1，刘文豪3，刘欢1［1.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2.工程结构损伤诊断湖南省重点实验室（湖南大学），湖南长沙 410082；3.东南大学土木工程学院，江苏南京 210096］摘要：通过ABAQUS有限元软件对冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱的轴压性能进行了研究. 通过比较试验和有限元分析获得的破坏模式、荷载-位移曲线以及极限承载力，发现二者具有良好的一致性，从而验证了有限元模型的准确性. 基于验证的有限元模型，分析了开孔间距、孔型、长细比、腹板加劲肋板件高度以及翼缘宽厚比等对冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱的受力性能的影响. 结果表明：所有构件的破坏模式均以畸变屈曲失效破坏为主. 增加错列开孔之间的间距可提升构件的极限承载力，且错列开孔构件的承载力相较并排开孔的构件可提升10%以上. 孔型对构件的极限承载力影响较小. 随着腹板加劲肋板件高度的增加，构件的极限承载力总体呈上升趋势. 相较V形加劲截面构件，Σ形加劲截面构件的极限承载力提升约6.5%. 随着构件长细比的增大和翼缘宽厚比的增加，构件的极限承载力均会有所下降.关键词：冷弯薄壁型钢；错列开孔；轴压；屈曲；承载力中图分类号：TU338 文献标志码：AResearch on Axial Compression Capacity of Cold-formed Thin-walled Steel Columns with Web-stiffeners and Staggered HolesDENG Lu1，2†，CAI Yuqi1，LIU Wenhao3，LIU Huan1［1.College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；2.Key Laboratory of Damage Diagnosis for Engineering Structures of Hunan Provincie（Hunan University），Changsha 410082， China；3.School of Civil Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China］Abstract：Through the finite element software of ABAQUS， the axial compression capacity of cold-formed thin-walled steel columns with web stiffeners and staggered holes was investigated. It was found that the results of the fail⁃ure modes， load-displacement curves， and ultimate bearing capacities obtained from the experiments and the finite element analysis agree well with each other， validating the accuracy of the finite element model. Based on the vali⁃dated finite element model， the effects of five parameters， including hole spacing， hole shape， slenderness ratio of the column，the height of web-stiffener，and flange width-thickness ratio，on the mechanical behavior of cold-∗收稿日期：2022-09-21基金项目：湖南省重点研发计划项目（2018NK2053）， Key R&D Program of Hunan Province （2018NK2053）；长沙市杰出青年培养计划项目（kq1802001），Changsha City Outstanding Youth Training Program （kq1802001）作者简介：邓露（1984—），男，湖南娄底人，湖南大学教授，博士生导师† 通信联系人，E-mail：**************.cn文章编号：1674-2974（2023）05-0001-10DOI：10.16339/ki.hdxbzkb.2023050湖南大学学报（自然科学版）2023 年formed thin-walled steel columns with web-stiffeners and staggered holes were analyzed. The results indicate that distortional buckling is the principal failure mode for all columns. The ultimate bearing capacity of the proposed col⁃umns with staggered holes increase with the increase in hole spacing， and the increment can reach more than 10% compared to the columns with side-by-side holes. Besides， the ultimate bearing capacity of the columns tends to as⁃cend with the increase in the height of the web stiffeners， while it is barely affected by the hole shape. Compared with the V-shaped stiffened sections， the ultimate bearing capacity of the Σ-shaped stiffened section is increased by approximately 6.5%. In addition， the ultimate bearing capacity of the columns decreases with the increase of the col⁃umn slenderness ratio and the flange width-thickness ratio.Key words：cold-formed thin-walled steel；staggered holes；axially compression；buckling；bearing capacity“双碳”背景下，国家大力推动绿色装配式钢结构建筑的发展. 冷弯薄壁型钢因具有绿色节能、轻质高强、截面灵活多样等优点，被广泛应用于别墅、居民住宅以及商业建筑中［1-3］. 由于冷弯薄壁型钢截面的厚度较薄，宽厚比较大，构件在压力作用下易发生屈曲破坏. 为限制板件屈曲，通常在腹板或翼缘上设置加劲肋，来达到提升构件承载力的目的. 常见的加劲形式有V形［4］、双V形［5］和Σ形［6］等.为了布置水电管线，构件腹板往往需要开孔. 然而，腹板开孔会造成构件截面应力分布复杂化、截面刚度降低，进而对构件的破坏模式和承载能力产生影响［7］. 研究表明，开孔尺寸、孔型、开孔间距及截面的几何尺寸等对开孔试件的屈曲模式和极限承载力有一定影响［8］. 姚永红等［9］研究了加劲腹板开孔卷边槽钢试件的轴压性能，发现开孔会导致试件的屈曲模式发生改变且降低试件的承载力. Wang等［10］对腹板开孔Σ形加劲卷边槽钢试件开展了轴压试验研究，发现Σ形加劲方式能有效地提升试件的承载效率，有助于增强孔洞周围板件变形的约束作用. 张壮南等［11］对Σ形加劲肋上开设一定数量孔的冷弯薄壁型钢柱试件进行研究. 但是受到加劲肋尺寸的限制，在腹板中轴线开孔的方式并不适用于所有截面. 为了便于电线、水管和燃气管等多类设施在墙体内部进行合理布置，往往在墙体立柱不同高度处开设一定数量的孔洞［12］. 同时，姚永红［13］提出了在加劲肋两侧对称开孔的方案，但在同一高度开设两孔或多孔，会造成截面刚度削弱较大，进而影响试件的承载力.为了满足管线布置对构件开孔位置的要求及降低开孔对截面刚度的削弱作用，本文提出了在腹板的不同高度处开设错列孔洞的冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱. 目前，关于腹板错列开孔冷弯型钢构件轴压性能的研究尚未见报道. 此外，在《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ 227—2011）［14］的设计条文中，也仅针对构件的开孔间距和开孔大小等进行了限制. 本文采用经验证的ABAQUS有限元模型，对冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱的破坏模式和极限承载力进行了研究，讨论了开孔间距、孔型、构件长细比、腹板加劲肋板件高度和翼缘宽厚比等对极限承载力和破坏模式的影响. 最后，研究发现冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱的承载力有明显提升，为工程设计与应用提供了参考依据和数据支撑.1 有限元模型验证1.1 文献[13]试验概况有限元模型选用文献［13］中的开孔V形加劲冷弯薄壁槽钢柱试件，其材料选用Q345级钢材. 由于本文研究中涉及的对象均为开双孔的柱构件，故选取了三组文献［13］中开双孔的V形加劲冷弯薄壁槽钢柱试件作为典型试件并进行有限元模型验证. 柱试件尺寸示意图如图1所示，详细尺寸信息见表1［13］，柱端边界条件设置为固接. 试件截面厚度t 取实测厚度2.98 mm，开孔尺寸a h为38.2 mm，L h为101.6 mm. 试验中加载装置选用50 t四柱试验机. 为了捕捉试件在加载过程中应变的变化状态，分别在短柱和中长柱的中间高度截面、中长柱的1/4高度截面处增设应变片. 为观测试验中试件发生的畸变变形，在柱构件的中间高度截面处设置位移计. 由于中长柱会发生多波失稳，在中长柱的部分翼缘和卷边交界处增设位移计. 同时，在柱试件的加载端布置轴向位移计. 试验时，采用逐级加载的加载方案，每级加载10 kN，直到加载至预估极限承载力的70%左右，每级加载量减小到1~2 kN，直至达到峰值荷载.1.2 模型建立本文通过与文献［13］中的试验结果对比来验证2第 5 期邓露等：冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究有限元模型的准确性. 采用ABAQUS 有限元软件建立冷弯薄壁型钢加劲腹板开孔柱有限元模型. 模型均选用S4R 单元模拟. 为了与文献试件编号统一及便于比较，验证模型的编号与文献［13］中试验试件的编号一致. 因文献［13］中试件两端的边界条件均为固接，故在有限元模型中约束顶端和底端除加载方向之外的其他所有自由度，并在顶端截面形心处施加位移荷载. 构件网格尺寸取10 mm. 因孔洞附近易发生应力集中现象，故对孔洞周围网格进行局部加密处理，孔边网格尺寸为5 mm. 有限元模型的边界条件和网格划分情况如图2所示.材料选用Q345钢，为了有效避免有限元分析后期收敛困难，减少计算分析试件，钢材本构关系采用双线性强化模型. 弹性模量E = 206 GPa ，第二模量E ε=E /50，泊松比为0.3，屈服强度f y =363.0 MPa ，极限强度f u =508.7 MPa ［13］. 构件因冷弯效应提高的屈服强度能近似抵消薄膜残余应力对冷弯型钢构件力学性能的不利影响［15-16］. 故在有限元模型建立中，未考虑冷弯效应和残余应力对构件受力性能的影响.由于试件在制作和运输等过程中会产生初始缺陷，且初始缺陷会对试件的力学性能产生不可忽略的影响，因此有必要在有限元分析过程中引入初始缺陷［17］. 在有限元建模的过程中，首先，进行特征值屈曲分析，提取一阶屈曲模态，所得一阶屈曲模态均发生以畸变屈曲为主的屈曲失效模式；其次，通过修改INP 文件中的关键词在一阶屈曲模态基础上引入初始缺陷，畸变屈曲几何缺陷取0.94t ［18］；最后，利用通用静力分析方法［19］进行有限元分析，以获取构件的破坏模式、荷载-位移曲线和极限承载力.1.3 模型验证采用上述建模方法建立的有限元模型对文献［13］中的3个试件进行计算分析，并与试验结果进行对比.有限元分析中，构件均发生以畸变屈曲为主的破坏模式，与文献［13］中试件的破坏模式基本一致，有限元分析与试验各自所得的破坏模式对比如图3所示. 试验和有限元分析中，构件翼缘的最大变形均发生在构件的1/2高度位置处. 同时，翼缘绕翼缘与腹板间的交线发生一定程度的向外转动，孔洞两侧的翼缘变形尤为明显. 为了验证模型的荷载-位移曲线，与文献［13］中的试验结果进行了对比，如图4所示. 由图4可知：有限元分析得出的荷载-位移曲线与通过试验得出的结果吻合较好. 通过比较试验和有限元分析获得的极限承载力，发现二者基本保持一致. 由表2可知，试验获得的极限承载力F u ，Test 与有限元分析获得的极限承载力F u ，FEM 之比的均值和变异系数分别为0.99、0.061. 有限元计算值与试验结果误差均在10%以内，这主要是由于在有限元分析中（a ）截面形状（b ）开孔位置示意图图1 试件尺寸及符号定义［13］Fig.1 Test specimen dimension and symbol definition ［13］表1 试件的实测尺寸参数［13］Tab.1 Measured dimensions of the test specimens ［13］试件编号L700H190SK1L700H230SK1L1400H190SK1L /mm 6986981 397H /mm 189.9230.4190.0B /mm 75.175.175.2D /mm 19.920.020.0S 1/mm 15.215.115.3S /mm 30.330.330.5t /mm 2.982.982.98W 1/mm 24.731.824.7W 2/mm 17.130.517.2W 3/m 17.630.317.4W 4/mm 24.231.524.2翼缘宽厚比B /t25.225.225.2图2 边界条件和网格划分Fig.2 Boundary conditions and meshing3湖南大学学报（自然科学版）2023 年将柱端约束考虑为理想条件，使其与试验过程中可能存在的对中误差下的实际约束条件存在一定差别. 综上，该有限元模型可以较准确地模拟冷弯薄壁型钢加劲腹板开孔轴压柱的破坏模式、荷载-位移曲线和极限承载力，验证了有限元建模的准确性.2 模型参数及计算结果2.1 模型参数按照第1节方法建立加劲腹板错列开孔柱有限元模型. 根据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）［20］中关于材料属性的规定，Q345钢的弹性模量取206 GPa ，第二模量E S =E /100，屈服强度f y 取标准值345 MPa ，抗拉强度f u 为448 MPa ［21］，泊松比取0.3. 本文共设计了177个冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔轴压柱，研究开孔间距、孔型、构件长细比、腹板加劲肋板件高度、翼缘宽厚比对冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔轴压柱受力性能的影响.截面形状和开孔位置示意图见图5.截面壁厚t 为1.5 mm 、2.0 mm 、2.5 mm 、3.0 mm ，截面高度H 为190 mm 、 230 mm ，截面翼缘宽度B 为60 mm 、75 mm 、90 mm ，加劲肋深度S 1为15 mm ，加劲肋和腹板的夹角为135°，卷边D长图3 破坏模式验证Fig.3 Validation of failure modes （a ）L700H190SK1（b ）L700H230SK1（c ）L1400H190SK1图4 荷载-位移曲线验证Fig.4 Validation of load-displacement curves表2 试验结果与有限元结果比较Tab.2 Comparison of test and FEM results编号L700H190SK1L700H230SK1L1400H190SK1均值变异系数破坏模式D DD + G ――F u ，Test /kN 284.60308.90264.90――F u ，FEM /kN 272.48311.32286.78――F u ，Test /F u ，FEM1.0400.9900.9200.9900.061注：D 表示畸变屈曲；G 表示整体屈曲.（a ）截面形状（b ）开孔位置示意图图5 构件尺寸及符号定义Fig.5 Specimen dimension and symbol definition4第 5 期邓露等：冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究度为20 mm. 开孔间距d取0~1 400 mm. 孔型分别为椭圆孔（O）、矩形孔（R）、圆孔（C）和菱形孔（L）. 短柱构件长度取700 mm，中长柱构件长度取1 000 mm和1 400 mm，长柱构件长度取2 100 mm. 腹板加劲肋板件高度h分别为0 mm（等同于布置V形加劲）、20 mm、30 mm和40 mm. 本文构件参数变量设置如表3所示. 椭圆孔和矩形孔的开孔高度a h为38 mm，开孔宽度L h为100 mm；圆孔的直径为38 mm；菱形孔的开孔高度和宽度均为38 mm.构件编号中的各字母及数字的命名规则如下：L700H190B60h0-C2-0代表柱长L为700 mm，截面腹板高度H为190 mm，构件截面翼缘宽度B为60 mm，腹板加劲肋板件高度h为0 mm，孔型为圆孔（C），开孔总个数为2个且开孔间距为0 mm（即表3 构件参数变量设置Tab.3 Parameter variables of typical specimens厚度t/mm 3.01.52.02.53.0―柱长L/mm7001 0001 4002 1001 0001 4002 1001 0001 4002 1001 4002 1001 4002 100―腹板高度H/mm190190190190190190230230230―开孔间距d/mm1002001002003004005002004006008004008001 2001 400600200400500600800600―孔型O/CO/CO/CO/COCRLOOO―腹板加劲肋板件高度h/mm40203040―翼缘宽度B/mm607590607590607590607590606060759090―数量统计/个183630302424248177（不重复计数）研究因素开孔间距孔型长细比腹板加劲肋板件高度翼缘宽厚比―5湖南大学学报（自然科学版）2023 年并排）的构件.2.2 破坏模式及应力分布根据ABAQUS 有限元模拟结果，本文中构件主要发生以畸变屈曲为主的屈曲失效破坏，如图6所示. 当柱长为700 mm 时，构件发生翼缘与卷边的畸变屈曲，伴有孔边板件的局部鼓曲. 当开孔间距为200 mm 时，构件发生呈中心对称的I-I 型（翼缘内收）畸变屈曲，如图6（a ）所示. 构件的最大畸变变形发生在构件中间高度位置. 当柱长为1 000 mm 和1 400 mm 时，构件主要发生畸变屈曲，如图6（b ）和（c ）所示. 当柱长为2 100 mm 时，构件呈现以畸变屈曲为主的屈曲失效模式，伴有绕弱轴的整体弯曲和开孔板件周边的局部鼓曲，如图6（d ）所示. 随着错列开孔间距的增大，畸变屈曲的模式也由I-I 型（翼缘外张）转变为O-O 型. 可见孔洞的存在改变了中长柱的屈曲形态.图7（a ）和7（b ）表明，当孔型为圆孔时，最大变形出现在构件的上半部分，即靠近顶端的开孔处；当孔型为菱形孔时，最大变形出现在构件的下半部分，即靠近底端的开孔处. 当孔型为椭圆孔和矩形孔时，构件出现了上述类似的差异现象. 孔型对构件屈曲失效时的变形有一定影响. 由图7还可知，当孔型为菱形孔和矩形孔时，在开孔尖角处易发生应力集中. 故当孔型不同时，由于几何形状的差异性，开圆孔和椭圆孔的构件比带有尖角的菱形孔和矩形孔的试件表现得更为优越.2.3 荷载-位移曲线为了直观地反映构件的刚度和极限承载力的变化，图8给出了L700H190h0-O2和L1400H190h0-O2系列构件在轴压作用下的荷载-位移曲线（图中B60-0表示为翼缘宽度为60 mm ，错列开孔的开孔间距为0 mm ）. 从图8中可以看出荷载-位移曲线受开孔间距、翼缘宽厚比影响较大. 荷载-位移曲线均呈现出直线上升、曲线上升和下降三个阶段，即弹性、（a ） L700H190B75h0-O2-200 （b ）L1000H190B75h0-O2-400（c ） L1400H190B75h0-O2-600 （d ） L2100H190B75h0-O2-800图6 错列开孔柱屈曲失效模式Fig.6 Buckling modes of members with staggered holes（a ） L1400H190B60h0-C2-600 （b ）L1400H190B60h0-D2-600（c ） L1400H190B60h0-O2-600 （d ） L1400H190B60h0-R2-600图7 不同孔型的柱屈曲失效模式Fig.7 Buckling modes of members with different hole shapes6第 5 期邓露等：冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究弹塑性和破坏三个阶段. 当开孔间距和翼缘宽厚比较大时，荷载-位移曲线直线段较陡，变形能力较弱，弹性工作阶段较长. 当达到极限荷载的80%时，进入弹塑性工作阶段，承载力相对较强. 由图8（a ）可知，各构件的荷载-位移曲线变化趋势大体一致. 在加载的初始阶段，荷载随着位移的增大而呈线性增加，表明构件在加载阶段处于弹性受力阶段；当荷载达到峰值时，由于构件出现局部屈曲从而增长得较为缓慢，曲线趋于平缓. 当翼缘宽度增加时，荷载-位移曲线直线段斜率随之增加，说明构件刚度随翼缘宽度的增加而增大. 同时，临界荷载对应的位移也随之后移. 图8（b ）的变化规律与图8（a ）基本一致.3 有限元参数分析3.1 开孔间距的影响图9给出了加劲腹板错列开孔柱构件的极限承载力随开孔间距变化曲线图. 当柱长为700 mm 时，构件的极限承载力随着开孔间距的增大而先慢后快地增加.当开孔间距从0 mm 增加到200 mm 时，构件的极限承载力的上升幅度约为10%；当柱长为1 000 mm 时，构件的极限承载力与错列开孔的间距近似呈线性正相关，极限承载力平均增长了约16.2%；当柱长为1 400 mm 时，构件的极限承载力随着错列开孔的间距增加几乎呈线性增长的趋势.出现该规律的可能原因是构件腹板开孔引起了腹板局部应力重分布，随着双孔之间开孔间距的增大，双孔的相互影响降低，双孔对腹板受力性能的削弱降低，此时轴压柱构件的承载力得到提升.因此，增加开孔间距对轴压柱构件的稳定承载力有一定提升作用.3.2 孔型的影响总体上，当孔型不同，孔洞的宽度和高度分别相同时，开椭圆孔构件的极限承载力都要略高于开矩形孔的构件，开菱形孔构件的极限承载力都要略高于开圆孔的构件，如图10所示. 对于柱长为1 000 mm 的构件，当开孔间距提升至600 mm 时，开椭圆孔的构件极限承载力提升了28.6%，开矩形孔的构件极限（a ）L700H190h0-O2系列（b ）L1400H190h0-O2系列图8 荷载-位移曲线图Fig.8 Load-displacement curves（a ）L700H190h0-C2系列（b ）L1000H190h0-C2系列（c ）L1400H190h0-C2系列图9 不同开孔间距的柱构件承载力对比Fig.9 Comparison of bearing capacities of members withdifferent hole spacings7湖南大学学报（自然科学版）2023 年承载力提升了29.4%，开圆孔的构件极限承载力提升了20.7%，开菱形孔的构件极限承载力提升了19.2%. 在开孔宽度和开孔高度相同的情况下，开椭圆孔、菱形孔的构件极限承载力高于开矩形孔、圆孔的构件. 出现上述现象可能是由于在开孔宽度和开孔高度相同的情况下，矩形孔和圆孔的开孔面积大于椭圆孔和菱形孔［22-23］，因此对截面的削弱更大. 这也说明孔型对构件的受力性能有一定影响.3.3 构件长细比的影响通过改变构件的柱长，其他截面参数保持不变，计算各构件模型的极限承载力结果如表4所示. 在截面尺寸相同时，错列分布的孔洞对极限承载力的影响随着长细比的增加逐渐降低，如图11所示. 因构件的边界条件为固支，故计算长度l 0 = μl 中修正系数μ取0.5. 本文中构件截面为单轴对称开口截面，按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）［20］计算构件的长细比最大值均为绕弱轴的长细比.由图11可知，当构件的开孔间距为200 mm 、400 mm 、500 mm 、600 mm 时，极限承载力曲线的变化规律趋于一致，呈极限承载力随长细比的增大而减小的变化趋势. 当柱构件的长细比从22.4增长到31.3时，承载力降低最明显. 随着长细比的增大，柱构件的破坏模式发生了改变. 从表4可知，当柱构件的长细比为31.3时，构件发生畸变屈曲. 当长细比增加到47.0时，构件发生畸变屈曲的同时伴随绕弱轴的整体屈曲，极限承载力随之下降. 总之，随着构件的柱长增加，构件长细比增大，构件极限承载力呈下降的趋势.3.4 腹板加劲肋板件高度的影响图12给出了L1400H230-O2-800和L2100H230-O2-800系列构件的极限承载力与腹板加劲肋板件高度的变化关系. 随着腹板加劲肋板件高度的增加，构件的极限承载力提升. 当加劲肋宽度S 1保持不变，腹板加劲肋板件高度h =20 mm 时Σ形加劲截面构件的极限承载力比V 形加劲截面构件提升约6.5%.3.5 翼缘宽厚比的影响保持其他条件不变，改变截面厚度，当翼缘宽度保持为90 mm 时，厚度分别为1.5 mm 、2.0 mm 、 2.5 mm 、3.0 mm ，对应的翼缘宽厚比分别为60、45、图10 不同孔型的柱构件承载力对比（H190B60h0系列）Fig.10 Comparison of bearing capacities of memberswith different hole shapes for series H190B60h0图11 不同长细比的柱构件承载力对比（H190B60h0-O2-*系列）Fig.11 Comparison of bearing capacities of memberswith different slenderness ratios for series H190B60h0-O2-*表4 不同长细比柱构件的极限承载力Tab.4 Bearing capacities of members with differentslenderness ratios模型编号L1000H190B60h0-O2-200L1400H190B60h0-O2-200L2100H190B60h0-O2-200L1000H190B60h0-O2-400L1400H190B60h0-O2-400L2100H190B60h0-O2-400L1000H190B60h0-O2-500L1400H190B60h0-O2-500L2100H190B60h0-O2-500L1000H190B60h0-O2-600L1400H190B60h0-O2-600L2100H190B60h0-O2-600厚度t /mm 3.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.03.0长细比λ22.431.347.022.431.347.022.431.347.022.431.347.0P FEM /kN 266.6255.9237.3294.0259.9254.4307.6263.2261.8309.0265.0264.0破坏模式D DD+G D D D+GD D D+GD D D+G8第 5 期邓露等：冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱轴压承载力研究36、30. 图13给出了构件的极限承载力随翼缘宽厚比的变化情况，构件的极限承载力随翼缘宽厚比增大而减小. 当柱长为1 400 mm 和2 100 mm 时，极限承载力曲线变化趋势一致. 当柱长为1 400 mm ，翼缘宽厚比从30增至60时，柱构件的极限承载力降低60.0%. 当柱长为2 100 mm ，翼缘宽厚比从30增至60时，柱构件的极限承载力降低65.3%. 这是因为在保持翼缘宽度条件下，随着截面厚度的增加，翼缘宽厚比减小，翼缘对腹板的支承作用加大，从而提升了构件的极限承载力.4 结论本文采用验证后的ABAQUS 有限元模型对两端固支的冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔轴压柱的破坏模式、荷载-位移曲线和极限承载力等展开了分析和讨论，讨论了不同开孔间距、孔型、构件长细比、腹板加劲肋板件高度、翼缘宽厚比等对冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔轴压承载力的影响，得出如下主要结论：1）为了便于铺设不同高度、不同用途的管线，提出了冷弯薄壁型钢加劲腹板错列开孔柱，增加错列开孔之间的开孔间距能达到提升构件的极限承载力的目的，提升幅度可达10%，对实际工程具有借鉴意义.2）开孔构件主要发生以畸变屈曲为主的屈曲失效破坏模式：开孔短柱常发生翼缘与卷边的畸变屈曲，伴随着腹板的局部鼓曲；开孔中、长柱发生畸变屈曲；开孔长柱在发生畸变屈曲的同时呈现明显绕弱轴的整体屈曲和开孔板件周边的局部鼓曲.3）孔型对构件的极限承载力影响较小，当孔型存在尖角时，会发生明显的应力集中现象.4）随着腹板加劲肋板件高度提升，构件的极限承载力提升；随着翼缘宽厚比的增大，构件的极限承载力降低；随着构件长细比的增加，构件的极限承载力降低.参考文献［1］SCHAFER B W. Cold-formed steel structures around the world［J ］. Steel Construction ， 2011， 4（3）： 141-149.［2］邓露，龙砺芝，刘艳芝，等.冷弯薄壁矩形管板组相关屈曲压弯承载力研究［J ］.湖南大学学报（自然科学版），2021， 48（11）： 82-90.DENG L ， LONG L Z ， LIU Y Z ， et al. Research on compression-bending capacity of cold-formed thin-walled rectangular tubeconsidering interactive buckling of plate group ［J ］. Journal of Hunan University （Natural Sciences ）， 2021， 48（11）： 82-90.（in Chinese ）［3］YANG D M ，HANCOCK G J ．Compression tests of high strengthsteel channel columns with interaction between local and distortional buckling ［J ］．Journal of Structural Engineering ，2004，130（12）：1954-1963．［4］李艳春，周天华，丁嘉豪，等．冷弯薄壁型钢拼合箱形柱的畸变屈曲性能研究［J ］．湖南大学学报（自然科学版），2021，48（11）：91-100．（a ）L1400H230-O2-800系列（b ）L2100H230-O2-800系列图12 腹板加劲肋板件高度变化时的柱构件承载力对比Fig.12 Comparison of bearing capacities of memberswith different heights of web-stiffeners图13 翼缘宽厚比变化时的柱构件承载力对比（H230B90h0-O2-600系列）Fig.13 Comparison of bearing capacities of members with different flange width-thickness ratios for seriesH230B90h0-O2-6009湖南大学学报（自然科学版）2023 年LI Y C，ZHOU T H，DING J H，et al．Investigation on distortionbuckling behavior of cold-formed thin-walled steel built-up box-section columns［J］．Journal of Hunan University （NaturalSciences），2021，48（11）：91-100．（in Chinese）［5］何子奇，杨光，周绪红，等．腹板加劲冷弯薄壁拼合H形钢压弯构件畸变性能试验研究［J］．建筑结构学报，2022，43（10）：237-248．HE Z Q，YANG G，ZHOU X H，et al．Experimental investigationon distortional performance of cold-formed steel built-up channelcolumns with web-stiffeners under eccentric compression［J］．Journal of Building Structures，2022，43（10）：237-248．（inChinese）［6］YOUNG B，CHEN J．Design of cold-formed steel built-up closed sections with intermediate stiffeners［J］．Journal of StructuralEngineering，2008，134（5）：727-737．［7］KULATUNGA M P，MACDONALD M，RHODES J，et al．Load capacity of cold-formed column members of lipped channel cross-section with perforations subjected to compression loading - partI：FE simulation and test results［J］．Thin-Walled Structures，2014，80：1-12．［8］MOEN C D，SCHAFER B W．Direct strength method for design of cold-formed steel columns with holes［J］．Journal of StructuralEngineering，2011，137（5）：559-570．［9］姚永红，武振宇，成博，等.开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱轴压性能的试验研究［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2011， 39（9）： 61-67.YAO Y H， WU Z Y， CHENG B， et al. 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波形钢腹板PC组合箱梁剪力连接件力学性能研究

1 常用剪力连接件
通常情况下，剪力连接件大致分为三种不同的类型，一种是翼缘型，一种是嵌入型，最后一种是复合型（即上述两种类型的结合）。随着波形钢腹板 PC 组合箱梁在实际中的广泛应用，目前，在实际工程中主要采用 S－PBL+ 栓钉形式和 Twin－PBL 形式。
图 1 节段有限元模型
（ a） S－PBL 连接件
（ b） Twin－PBL 连接件图 2 两种连接件模型
对于模型的单元划分使用了自由网格划分的方式，在钢板的孔洞位置及栓钉位置都使用了加密的网格划分，由此确保模型的计算精度。S－PBL+栓钉连接件模型共有 847 851 个单元，101 670 个节点； Twin－PBL 连接件模型共有 288 651 个单元，75 785 个节点。 4．2．2 计算荷载
2 剪力连接件建模
2．1 建模单元及材料 2．1．1 建模单元
受限于整桥实体建模计算量的巨大，本文仅对剪力连接件的关键部位进行实体建模，在建模的过程中，采用单元库中的 SOLID65 和 SOLID45 分别进行混凝土和钢筋的模拟。 2．1．2 网格划分
一般情况下，在钢板的开孔处及混凝土榫柱附近会出现应力集中的情况，所以应当重点关注上述位置的网格划分，可以使用自由的网格进行一定的加密，而对于其余的部分可以使用映射网格进行较粗的划分。 2．2 边界条件和接触分析
分析两种开孔钢板的应力云图可以得出： S－PBL+栓钉连接件钢板在其开孔、顶部及底部位置出现了明显的应力集中，有些位置已经进入了屈服状态；而 Twin－PBL 连接件的应力分布比较均匀，仅在个别的位置出现了应力集中的现象。因此 Twin－PBL 连接件的受力状态要明显的好于 S－PBL+栓

冷弯薄壁型钢组合墙——钢框架结构协同工作性能研究的开题报告

冷弯薄壁型钢组合墙——钢框架结构协同工作性能研究的开题报告一、选题背景冷弯薄壁型钢具有质量轻、强度高、成本低、施工方便等优点，被广泛应用于建筑结构中。

而在墙体结构中，结合钢框架结构，不仅能够提高建筑的抗震性能和承载力，还可以减少建筑结构体积，提高空间利用率。

然而，冷弯薄壁型钢与钢框架结构的协同工作性能研究还比较少，尤其是在组合墙体结构中的应用。

因此，本文拟开展针对冷弯薄壁型钢组合墙的研究，以探索其协同工作性能表现及其影响因素，为墙体结构设计和建设提供新的思路和方法。

二、研究内容和意义本文将围绕冷弯薄壁型钢组合墙展开研究，旨在探索以下内容：（1）冷弯薄壁型钢组合墙的基本结构形式及其力学特性分析。

（2）冷弯薄壁型钢与钢框架结构在组合墙结构中的协同工作机理研究，包括受力性能、变形性能和稳定性能等方面。

（3）通过实验验证冷弯薄壁型钢组合墙的力学性能表现，以及探索其复合材料与接头的关系，以提高其力学性能和可靠性。

本文的研究意义在于：（1）推动钢结构与冷弯薄壁型钢结构的协同应用，提高建筑抗震性和承载力。

（2）为冷弯薄壁型钢组合墙应用提供依据和参考，优化结构设计，提高墙体结构的性能。

（3）为工程实践提供技术支持，推广冷弯薄壁型钢组合墙等新型结构材料的应用。

三、研究方法和技术路线本文主要采用理论分析和实验研究相结合的方法，具体分析和研究冷弯薄壁型钢组合墙的力学性能及其影响因素。

预计的技术路线如下：（1）理论分析阶段：通过文献调研和理论分析，建立冷弯薄壁型钢组合墙受力模型，确定受力和变形规律，并研究影响其力学性能的因素。

（2）试验分析阶段：对设计好的冷弯薄壁型钢组合墙进行模拟实验，测试其受力性能、变形性能和稳定性能等指标，并通过试验数据验证理论分析的准确性。

（3）复合材料和接头研究阶段：针对冷弯薄壁型钢组合墙的复合材料和接头进行研究，寻找优化设计方案，提高其力学性能和可靠性。

四、预期成果通过以上研究，本文预期获得以下成果：（1）建立冷弯薄壁型钢组合墙的受力模型，揭示其力学性能表现及其影响因素。

腹板嵌入式组合梁抗弯性能理论和试验研究

作者简介：国强（９３）男，授，士生导师，要从事多高层钢结构及钢结构抗火性能研究，Ｅｍｉｇｌｍａ李１６一，教博主（ａｌｑｉ）＠ｉｌ
ｔｎｊｅｕｃ。ｏｇｉｄ．ｎ．
２
及抗剪性能，够节约钢材。能
关键词：合梁；形连接件；Ｔ型钢梁；弯承载力组梯倒抗
中图分类号：ＴＵ３５１７．
文献标志码：Ａ
文章编号：６４４６（０１０ —０１Ｏ１７７４２１）３００７
．
Ｋｅｒｓ：ｏｐｏｉｅｂｅｍｓａｄｇｒｒｙｗｏｄｃｍｓｔａｎｉｄｅｓ；ｎｏｃｄｗｅｔｈｅｂ；ｉｖｅｔｄＴｈｐｅｔｅｅｍ；ｂｎｎｇｃｐｃｔｎｒｅｓａｄｓｅｌｂａｅｄｉａａｉｖ
ｒｓｌｓＯｈｏｅｉａｏｍｕａ，ｔｅｒｓｌｓｏｅｔｎｈｔｆｉｉｅｅｅｅｔａａｙｉＳＵｄｈｗｓｔｔｔｅｅｕｔｆｔｅｒｔｌｒｌｓｈｅｕｔｆｓｓａｄｔａｎｔｌｍｎｎｌｓｓｔｖｓｏｈａｈｃｆｔｏｆ
ｇｒｕｏｒｏｐｏｆｆｍｕｌｓａｏｕｈｅｂｅｉｇｃｐａｉｙ，ｓｉｔｅｈｅｓｅｌｂｅｍｎｄｔｏｒｔｌｎｇａｂｔｔｎｄｎａｃｔｌｂｅｗｅｎｔｔｅａａｈｅｃｎｃｅｅｆａｅ，ａｈｐｎｄｔｅ

304不锈钢薄壁管环向材料力学行为的实验表征

304不锈钢薄壁管环向材料力学行为的实验表征赵赫;夏勇;姚再起;金建伟【摘要】为了改进管件内高压成形工艺，用实验研究了某种304不锈钢薄壁金属管材料力学特性。

研究了薄壁金属管的环向材料力学行为，搭建了环向拉伸试验装置，建立了环状试件测试段受力和夹具受力之间的关系，分析了摩擦和试件装夹位置的影响；用数字图像相关分析技术（DIC），测量了环向拉伸应变；利用各向同性材料验证了环向拉伸试验方法的可靠性。

结果表明：试验管材环向应力应变曲线呈S形，试验管材轴向和环向材料力学行为有显著差异。

%Thin-waled 304 steel tube material behavior was investigated experimentaly to improve the technique of tube hydro-forming. A ring hoop tension test (RHTT) system was built, and the simpliifed analytical model for the RHTT specimen was analyzed to evaluate the impact of friction and specimen position. The RHTT specimen strain was measured by using a digital image correlation (DIC) non-contact measurement system. The RHTT system and data processing method were veriifed using an isotropic material. The results show that an “S-shape” style is detected in the measured 304 tube hoop stress strain curve in large plastic deformation phase and there is signiifcant difference between the material behavior in tube axial direction and that in hoop direction.【期刊名称】《汽车安全与节能学报》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】9页(P250-258)【关键词】薄壁管;环向拉伸;304不锈钢;材料各向异性;马氏体相变【作者】赵赫;夏勇;姚再起;金建伟【作者单位】清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084;清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084;吉利汽车研究院，杭州 311228;吉利汽车研究院，杭州 311228【正文语种】中文【中图分类】U465.2+1高压成形得到的薄壁管状结构已越来越多应用于轻量化汽车车身。

2021年度进展07：组合结构桥梁

2021年度进展07：组合结构桥梁卫星等西南交大桥梁 2022-03-31 15:070.引言钢-混组合结构桥梁符合桥梁建设装配化、绿色化及智能化的建设理念，具有良好的综合技术经济效益和社会效益。

近年来，钢-混组合结构桥梁在国内外发展更为迅速，并衍生出了类型丰富的钢-混组合结构桥梁，已在中等跨度桥梁中得到的不少成功应用。

钢-混组合结构桥梁2021年度进展主要搜集了来自各大常用数据库中的英文文献和中文文献，其中英文文献库包括：Whiley，Springer，Elsevier，ASCE；中文文献库来源：中国知网、万方。

英文期刊主要包括：《Engineering structures》，《Thin-Walled Structures》，《International Journal of Steel Structures》，《Construction and Building Materials》，《Journal of Constructional Steel Research》，《Structures》，《Journal of Bridge Engineering》，《Journal of Structural Engineering》，《Advances in Structural Engineering》，《Composite Structures》，《International Journal of Steel Structures》，《Advances in Bridge Engineering》等。

中文期刊主要包括《土木工程学报》，《中国公路学报》，《建筑结构学报》，《桥梁建设》，《建筑科学与工程学报》，《工程力学》，《铁道学报》，《土木工程与管理学报》，《公路交通科技》，《铁道科学与工程学报》，《西南交通大学学报(自然科学版)》等。

为了跟踪组合结构桥梁研究动态，掌握本领域研究热点以及发展趋势，西南交通大学高性能组合桥梁研究团队基于上述文献来源，对2021年度国内外学者在钢-混组合结构桥梁研究领域所取得的进展进行了扼要的梳理和总结。

【CN210032096U】一种组合式钢构件【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920456649.2(22)申请日 2019.04.07(73)专利权人海南宏威钢结构工程有限公司地址 570206 海南省海口市龙华区龙昆南路7号宏昌大厦1006/1007室(72)发明人左建雄　田超　(51)Int.Cl.E04B 1/24(2006.01)E04B 1/58(2006.01)(54)实用新型名称一种组合式钢构件(57)摘要本实用新型公开了一种组合式钢构件，包括仓体和底片，所述仓体的一侧设置有拨窗，所述仓体的内侧设置有定位片，所述仓体的侧面底端固定连接有固定片，所述定位片的内侧滑动连接有方槽，所述方槽的一端设置有底片，所述方槽的另一端设置有侧片，所述侧片的一端设置有弹性片，所述固定片的一侧固定连接有侧固定片，两个所述侧固定片的中部固定连接有卡位杆。

该实用新型装置通过设置仓体、定位片和固定片提升整个结构的结实程度，不容易偏移和晃动，使用寿命长，不易出现断裂，通过设置方槽和定位片加固定位底片和侧片，使其滑动平稳，通过设置弹性片配合卡位杆和侧固定片起到滑动限位效果，有效固定整个滑动构件，定位准确，结实。

权利要求书1页说明书3页附图2页CN 210032096 U 2020.02.07C N 210032096U权　利　要　求　书1/1页CN 210032096 U1.一种组合式钢构件，包括仓体(1)和底片(3)，其特征在于：所述仓体(1)的一侧设置有拨窗(2)，所述仓体(1)的内侧设置有定位片(6)，所述仓体(1)的侧面底端固定连接有固定片(7)，所述定位片(6)的内侧滑动连接有方槽(4)，所述方槽(4)的一端设置有底片(3)，所述方槽(4)的另一端设置有侧片(5)，所述侧片(5)的一端设置有弹性片(8)，所述固定片(7)的一侧固定连接有侧固定片(9)，两个所述侧固定片(9)的中部固定连接有卡位杆(10)。

薄壁方钢管高强混凝土构件基本力学性能的创新研究

薄壁方钢管高强混凝土构件基本力学性能的创新研究摘要：对于薄壁方钢管高强混凝土构件基本力学性能的创新研究，对于钢筋混凝土乃至整个建筑行业的发展具有积极的助推作用。

而通过采取实验室试验、理论分析、数值仿真、现场调查与反馈分析相结合的方法，对钢筋混凝土进行研究，致力于研究出耐久性更高、经济性更强的钢筋混凝土结构，可以更为便捷地为土木工程提供一种更加绿色和经济的装配式建筑结构。

为提高构件的技术经济性能，现提出薄壁方钢管高强混凝土构造形式并对其进行多方面和角度的研究。

关键词：薄壁方钢管高强混凝土构件力学性能装配式建筑结构1 引言目前，建筑行业经历了前所未有的发展，尤其在现有单位面积容积率要求越来越高的情况下，建筑工程施工企业为了保证工程质量，采取了相当多的时间和资源，投入到各项具体施工技术中。

工程建设离不开技术管理，离不开创新管理。

建筑工程的各项工作都很重要，所以每一项工作都需要我们对细节内容进行控制，并且力求完美水平，超过社会平均先进水平。

现有工程建筑中的混凝土力学性能研究是该项工程的一部分，它的研究和应用对于施工企业来说十分关键。

现有国内外对薄壁方钢管高强混凝土构件基本力学性能研究大都是基于试验的基础上进行的，虽然试验研究能够比较真实且形象地模拟构件实际受力情况，相对直观具体地体现钢筋混凝土力学性能的变化过程，但是试验研究工作费时费力，开展大量的试验研究难度较大，不能够真正的解决现有混凝土在使用过程中的各种质量问题。

因此，研究一种性价比高、质量可靠的薄壁方钢管高强混凝土构件以达到在具体施工过程中和后续维护过程中质量通病防治难度小的目的具有十分重要的意义和价值。

2 研究现状目前混凝土基本力学性能研究进展迅速，但是具体适用范围却有一定的局限性，不太符合当今社会可循环发展的迫切要求，这也是传统混凝土施工技术普遍存在的问题。

建筑工程要想获得较好的施工效果，拿到较高的施工质量，确保施工的进度，就应该控制该项工程的各项施工技术。

组合式冷弯薄壁型钢受压构件的设计方法

组合式冷弯薄壁型钢受压构件的设计方法发布时间：2022-06-16T01:22:45.388Z 来源：《城镇建设》2022年5卷4期作者：江胤臻[导读] 冷弯薄壁型钢结构的发展对其构件的力学性能提出了新的要求，江胤臻中交第三航务工程勘察设计院有限公司上海 200032摘要：冷弯薄壁型钢结构的发展对其构件的力学性能提出了新的要求，特别是对受压构件承载力有了更高的要求。

为了得到一种廉价可靠的冷弯薄壁型钢受压构件，本文介绍了封闭组合式受压构件及其设计方法。

通过对相关试验及数值模拟研究结果的分析，总结了此类构件在受压荷载作用下的受力机理及影响因素，并给出了考虑构件制造成本的设计建议。

研究结果可为此类构件的理论研究及设计实践提供一定程度的参考。

关键词：冷弯薄壁型钢受压构件设计规则试验研究数值模拟引言随着我国建筑业的蓬勃发展，出现了越来越多的结构形式，在众多的结构形式中冷弯薄壁型钢（Cold-formed steel，CFS）结构以其重量轻、强度高、可工业化量产等特点成为了一种具有发展前景的结构形式。

GFS结构最早出现在北美和大洋洲等地区，2002年我国借鉴美国、加拿大和澳大利亚等国GFS结构体系，制定并颁布了适用于我国建筑业发展的《冷弯薄壁钢结构技术规范》（GB 50018-2002）[1]。

该规范的颁布为我国GFS结构的设计、施工和质量验收提供了指导性的文件。

此后国内学者对GFS结构进行了大量的研究，2018年陶忠等人[2]根据冷弯薄壁型钢结构抗侧力体系特点,推导出3种抗侧力刚度计算方法，并通过试验与理论计算结果进行比较对比了3种计算方法的精度；2019年石宇等人[3]通过试验研究和非线性有限元分析的方法，得出了冷弯薄壁型钢屋架受压弦杆和受压腹杆在平面内的计算长度系数。

虽然国内学者的研究取得了大量的成果，但目前国内针对GFS结构的研究主要还是针对传统的GFS构件。

随着GFS结构在高层建筑中的应用，对GFS受压构件的强度和无侧向支撑长度提出了新的要求，因此需要新的GFS构件形式以满足新的要求。

冷弯薄壁型钢组合柱受力性能研究进展张宁美1 康轶涛2

冷弯薄壁型钢组合柱受力性能研究进展张宁美1 康轶涛2摘要：冷弯薄壁型钢组合柱是通过自攻螺钉连接2个或多个冷弯薄壁C型、U型钢而形成的组合立柱。

本文介绍了国内外冷弯薄壁型钢组合柱的设计规范，总结了国内外对冷弯薄壁型钢组合柱受力性能的理论研究成果，最后在分析的基础上总结了冷弯薄壁型钢组合柱受力性能研究目前急需解决的问题。

关键词：冷弯薄壁型钢；组合柱；受力性能Research Progress on the mechanical performance of cold-formed thin-walled steel composite columnsZHANG Ningmei1，KANG Yitao2（1.MCC No.5 Group Shanghai Co.Ltd.，Shanghai 201999，China；2．College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）Abstract：The cold-formed thin-walled steel composite column is a composite column formed by connecting 2 or more cold-formed thin-walled C and U steel through a self tapping screw.This paper introduces the design and specification of cold-formed steel columns，summarized the cold-formed steel column stress performance theory research results，on the basis of the analysis of the stress of cold-formed steel columns on the urgent.Key words：Cold-formed thin-walled steel，Composite column，Mechanical performance1 前言近年来，冷弯薄壁型钢构件得到了大力发展，充分发挥了冷弯薄壁型钢体系的用钢量低，自重轻，工业化程度高，施工周期短等优点。

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关键词
钢–混组合桥，波形钢腹板，薄壁钢管–钢板组合式钢腹板，纵向刚度
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波形钢腹板利用凹凸波形在偏心轴向力作用下存在的弯曲变形远大于轴向压缩变形和剪切变形的特点，减小了钢腹板的纵向水平刚度，同时折叠OI: 10.12677/ijm.2019.84029
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力学研究
陈志辉
的面外屈曲性能，节省了腹板加劲肋的布置。理论分析表明，波形钢腹板存在的弯曲变形，使其纵向刚
陈志辉
中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都
收稿日期：2019年11月27日；录用日期：2019年12月11日；发布日期：2019年12月18日
文章引用: 陈志辉. 一种新型薄壁钢管-钢板组合式钢腹板力学行为研究[J]. 力学研究, 2019, 8(4): 257-265. DOI: 10.12677/ijm.2019.84029
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1. 引言
平直钢腹板 PC 组合箱梁桥因钢腹板平面内刚度大，导致混凝土顶底板在纵向预应力和收缩徐变作用下受到较大的约束，降低了纵向预应力的效率；同时导致钢腹板承受较大的纵向轴压力，影响其屈曲稳定性。为此，1975 年法国的 Campenon Bernard 公司提出了以波形钢腹板代替平直钢腹板的构想，并于 1986 年建造了世界上第一座波形钢腹板 PC 组合箱梁桥—Cognac 桥[1]。这类桥梁最主要的特点是利用了波形钢腹板的褶皱效应，减小了钢腹板的纵向刚度及其对混凝土顶底板的约束作用，从而极大地提高了纵向预应力的效率，而钢腹板的折叠形状又提高了腹板的剪切屈曲强度[2] [3] [4]，与此同时，还解决了传统混凝土腹板开裂的问题，且具有造型美观、结构轻盈等特点，具有较高的桥梁美学价值。所以一经提出，便迅速得到了世界各国桥梁工程界的认可，形成了一种新型的、结构受力更合理并独具一格的钢–混凝土组合桥结构—波形钢腹板 PC 组合箱梁桥。
度减小至一般的平直钢板的几百分之一，以至于可以完全忽略不计[8]。因此，在现有的一些技术规程中
[6]，都假定波形钢腹板不承受轴向力，纵向弯曲时忽略波形钢腹板的纵向弯曲作用，弯矩仅由混凝土顶、
底板的桁架作用承担。
但是，波形钢腹板利用突出的波折形减小其纵向刚度的同时，也导致其剪切刚度的降低，既有的研究
表明，波形钢腹板的等效剪切模量近似由下式确定[9]：
此外，波形钢腹板在面外形成连续变化的折线后，还将增加腹板接长以及腹板与翼缘板的焊接施工难度，同时折线间形成大量的隐蔽折角易积留杂物，增加钢腹板自身的防腐和养护难度。而在大跨度变高梁的应用中，波形钢腹板的下缘随梁高曲线变化形成更加复杂的空间曲线，这样使得腹板的剪裁、腹板与下翼缘的焊接作业更加复杂，而在承受动活载的桥梁中，这些焊缝的质量和疲劳性能控制又至关重要，无疑会极大地提高施工难度和施工成本。因此，在现有的一些工程实践中，为了尽量规避此类工程难度，
2. 钢管-钢板组合式腹板技术方案
如图 2 所示，本文提出的薄壁钢管–钢板组合式腹板是由一系列薄壁钢管和平直钢板按照一定间距对接焊接后串联而成。该构造方案焊接接长焊缝、腹板与翼缘板的焊缝都是简单的对接焊缝或直角焊缝，可以明显降低焊接施工的难度，而选用的钢板和钢管都可以是标准的成熟制品，可以省去专用设备的模压或冲压流程，降低加工制作成本。这里所采用的薄壁钢管可以是圆形、方形等各种不同形式的轧制品，达到不同的折叠效果，体现灵活的美观性。
陈志辉
摘要
不同于波形钢腹板，本文提供了一种新型的薄壁钢管–钢板组合式钢腹板。理论分析表明，通过钢管的变形可以降低此类钢腹板的纵向综合刚度，以达到波形钢腹板相同的效果，即降低钢腹板对钢–混组合箱梁桥中混凝土顶底板的约束作用，减小混凝土顶底板预应力、收缩、徐变以及温度作用的影响。与此同时，薄壁钢管–钢板组合式钢腹板构造简单，避免了复杂的空间曲线焊缝和波形钢板的压制，可以有效降低腹板的加工难度和成本。对比分析还表明，薄壁钢管–钢板组合式钢腹板在相同刚度指标下，用钢量指标与波形钢腹板相当。本文初步证明这种新型的薄壁钢管–钢板组合式钢腹板具有一定的合理性和经济性。
International Journal of Mechanics Research 力学研究, 2019, 8(4), 257-265 Published Online December 2019 in Hans. /journal/ijm https:///10.12677/ijm.2019.84029
目前波形钢腹板 PC 组合箱梁桥的设计及施工技术已发展相当成熟，尤其在日本进行了大量的工程建设实践，其已建和在建的此类桥梁已超过 300 座。而自 1998 年起，我国东南大学、同济大学、长安大学、西南交通大学、哈尔滨工业大学、福州大学、西安市市政设计研究院、河南省交通规划勘察设计院等科研院所开启了对波形钢腹板 PC 组合箱梁桥的研究、设计与建造工作。在 2005 年，我国建成了国内第一座波形钢腹板 PC 组合箱梁桥—江苏淮安长征桥[5]，并在随后的十几年内又相继建造了鄄城黄河公路大桥、桃花峪黄河大桥、深圳南山大桥、郑州朝阳沟大桥等超过百余座极具代表性的波形钢腹板 PC 组合箱梁桥。从建成第一座波形钢腹板 PC 组合箱梁桥至今十余年时间内，这类桥梁在我国的发展速度之快在桥梁工程建设领域实属罕见，究其原因在于这类桥梁具有结构轻盈、造型优美、受力合理、抗震性能好等突出的优点，才成为了我国近年来大力推广发展的新型桥梁结构形式，并逐步制定和规范相关的技术标准[6] [7]。
DOI: 10.12677/ijm.2019.84029
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力学研究
陈志辉
在跨度不大于 60 m 时，波形钢腹板 PC 箱梁桥通常都做成等高粱，对其美观性和工程材料用量均有影响。考虑到现有的波形钢腹板具有这些技术缺点或难点，本文拟提出一种新型钢管-钢板组合式钢腹板可
作为现有波形钢腹板的替代形式。其主要特点是：首先，利用常用的钢管和钢板简单焊接组合，可以显著降低施工制作难度，具有良好的经济性和可操作性；其次，利用钢管在纵向力作用下的屈曲变形可达到波形钢腹板所具有的纵向刚度小、有效提高纵向预应力效率的目的；最后，与波形钢腹板相比，此类组合式腹板的钢管兼具钢板的加劲作用，可以提高钢板的剪切屈曲强度和稳定性。文章基于基本力学理论分析了钢管-钢板组合式钢腹板的力学行为，表明这类腹板用于钢-混组合桥的合理性和经济性。
Geq
=
(bw + dw ) Gs (bw + dw cosα )
(1)
式中： Gs 为材料的剪切模量； bw 和 dw 分别为波形钢腹板的平直长度和斜段水平投影长度； α 是腹板斜段与平直段之间的夹角。
从式(1)可知，由于波折形状的存在，显著降低了腹板的剪切刚度，导致腹板在剪力作用下发生不可忽略的剪切变形，进而导致梁体的变形增大，既有的一些研究表明[10] [11]，波形钢腹板剪切变形导致波形钢腹板 PC 梁的变形增大可达到 10%~40%。因此，此类桥梁在对于梁体变形有严格限制要求的轨道交通等领域应用时，将显著增加梁体高度，对波形钢腹板 PC 箱梁桥所具有的经济性和桥梁美学性造成一定程度的影响，尤其在大跨度桥梁中的应用时，这种影响更加显著，甚至随着梁高的增加，利用波形腹板达到提高剪切屈曲强度的作用也将被抵消。这样，在工程实践时因波形钢腹板的剪切屈曲稳定性问题突出，又不得不采取相应的措施。
Study on the Mechanical Behavior of a New Type of Thin-Walled Steel Tube-Steel Plate Composite Web
Zhi-Hui Chen
China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu Sichuan
Figure 2. Structure Chart of tube-steel plate composite web 图 2. 钢管-钢腹板组合构造图
其次，如图 1 所示，目前波形钢腹板大多采用模压法或冲压法冷成型加工制作，需要用到专用的模压或冲压设备，制作成本高，这是制约该类桥梁加工效率和经济性的主要因素。
(a) 模压成型
(b) 冲压成型 Figure 1. Cold forming of corrugated steel webs 图 1. 波形钢腹板冷成型[12]
Received: Nov. 27th, 2019; accepted: Dec. 11th, 2019; published: Dec. 18th, 2019
Abstract
In contrast with corrugated steel webs, a new type of thin-walled steel tube-steel plate composite webs is proposed in the paper. The theoretical analysis shows that prestressing, shrinkage, creep, and temperature changes in concrete flanges have little effect on the thin-walled steel tube-steel plate composite webs which are also exhibited in corrugated steel webs, due to the reduction of stiffness result from deformation of steel tube. Meanwhile, the composite steel web with thinwalled steel tube-steel plate composite web is simple in construction, which avoids the complex spatial curve weld and pressing of corrugated steel plate, and thus there should be a reduction in the difficulty and cost of construction. The comparative analysis also shows that the composite web has the same steel consumed index as that of corrugated steel webs based on the same stiffness index. This paper preliminarily proves that this new type of thin-walled steel tube-steel plate composite steel web is reasonable and economical.