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

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。