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預應力組合梁的穩定性分析

預應力組合梁的穩定性分析

作者:admin????來源:未知????發布時間:2018-07-13 14:33????瀏覽量:

  組合結構施加預應力后軸向壓力的存在、混凝土頂板的約束效應等使得預應力組合連續結構的穩定間題變得尤為突出。但由于截面幾何特征、彎矩梯度、軸向力大小、混凝土頂板配筋率等因素以及縱橫向加勁肋、局部與整體相關屈曲等效應的影響,考慮塑性發展影響的預應力組合結構穩定極限承載力特性,迄今并未得到充分的認識。

  預應力組合梁的穩定極限承載力與其預應力錨具的正負彎矩區截面的轉動能力有關,因此,在設計組合梁時,為了實現完全的內力重分布,應校驗塑性鉸的轉動能力是否足夠。截面轉動能力主要受到以下因素的影響:(a)鋼梁的局部與整體失穩;(b)材料特性如屈服強度、極限強度等;(c)截面幾何特征;(d)加載方式或荷載類型;(e)預加力大小;(f)混凝土板中鋼筋延性及含量等。

  1.鋼梁翼緣和腹板寬厚比

  鋼梁翼緣和腹板寬厚比對截面轉動能力的影響是眾所周知的,隨翼緣寬厚比b/tf的降低,截面轉動能力增強;當腹板寬厚比hW/w在允許的范圍內增加時,截面轉動能力下降。各國規范對工字型鋼截面塑性設計的彎曲延性(即截面轉動能力)要求不很一致(表7-2),但都強調發生局部屈曲就是彎矩一轉角曲線開始下降,即依據翼緣和腹板寬厚比來定義轉動延性,這適用于屈服強度校核。

  對于寬厚比超過上述限值的構件,GBJ17-88采用有效截面法進行設計,不考慮屈曲后的強度,只是在腹板局部穩定計算中,略微提高塑性發展參數,以考慮屈曲后的潛力;這樣做的不足是:不論有無屈曲后強度,一律對局部穩定降低安全系數,使得寬厚比不大的腹板安全度偏低,而寬厚比較大的腹板又未充分利用其潛力。對于局部屈曲和整體失穩,EC.4、AISC、GBJ 17-88等是分別加以考慮的,沒有考慮局部和整體相關屈曲的影響。

  2.彎矩梯度(LP/tf)

  試驗研究發現,局部或整體屈曲受荷載作用方式(即彎矩梯度)的影響,而塑性區發展長度LP由外荷載作用確定;當塑性區長度Lp與翼緣厚度tf之比達到臨界值時,受壓翼緣發生局部屈曲,這一點GBJ 17-88規范中沒有提及。另外,受壓翼緣局部屈曲并
不立即導致彎矩一轉角關系進人下降段,尚有屈曲后性能可以發揮。這一方面緣于翼緣受壓屈曲時,側向變形允許維持應變協調;另一方面,受壓冀緣的局部屈曲明顯地降低了截面對側向屈曲的抵抗,有可能導致側向屈曲的發生。

  3.側向屈曲長細比(Li/ry)

  側向支撐間距之半Li與鋼梁受壓部分(翼緣和部分腹板)回轉半徑ry之比Li/ ry定義為側向屈曲長細比。當該值達到臨界值時,發生側向屈曲。當Li/ry≥1 000/Fy時,應變軟化(即彎矩一轉角曲線開始下降)在達到塑性屈服長度Lp以后發生,Lp小于產生局部翼緣屈曲所需的長度,因此,塑性區翼緣局部屈曲不會對**彎矩抗力產生很大影響;腹板局部屈曲可能會降低側屈抗力。一旦出現軟化,側向變形就會加大,塑性區進一步擴展,導致局部屈曲發生,這本是側向屈曲的結果,但是卸載后的**變形也許會過分突出了局部屈曲對破壞的影響,尤其在較高的側屈長細比的情況下,當側向變形以彈性為主時,往往如此。當Li/ry < 1 000/Fy時,應變軟化在塑性屈服長度Lp以內發生,且Lp足以容納局部翼緣和腹板聯合屈曲所需要的波長,結果在屈服區域內翼緣局部屈曲在**側屈附近起到部分鉸的作用,直接限制了截面轉動和**抗力。彎曲抗力的大小和翼緣局部屈曲波長受腹板局部屈曲的影響,特別是當Li/ry降低時往往導致翼緣和腹板局部屈曲與側向變形屈曲的完全相互作用模態出現。由于既有試驗研究中較高側屈長細比的情況并不多見,因而許多試驗中側屈長細比的重要的應變軟化對局部屈曲和側向屈曲聯合作用模態的影響也就未予考慮,今后的研究中應予以關注。

  4.軸向壓力

  預應力組合梁中鋼梁軸向力效應來自三個方面,一是預應力鋼索提供的;二是負彎矩區鋼梁用以平衡混凝土板中預應力筋或非預應力筋的受拉作用產生的;三是工字型鋼梁上下翼緣尺寸不等產生的。軸向壓力的存在,使得鋼梁截面受壓區高度加大,截面
延性分類時,規范是以調整腹板長細比限值來反映腹板受壓區高度的加大,這樣處理對翼緣和腹板局部屈曲或相關屈曲不甚敏感;另外實驗顯示,腹板受壓區高度加大,會導致錨具截面轉動能力(延性)的明顯降低。這是因為:1)構件屈服區域的非彈性轉角是由該區域內非彈性曲率積分而得,曲率或應變梯度是隨腹板受壓區高度增加而減小的,這種效應用于解釋軸向壓力存在導致延性損失是可行的;2)受壓部分腹扳較大的高度增加了腹板屈曲的可能性;3)受壓部分(翼緣和部分腹板)回轉半徑ry隨計算ry時受壓彈性截面部分增加而減少。截面轉動延性的明顯降低,使得結構達不到形成機構時的荷載值。

  5.混凝土頂板的側向約束

  在正彎矩區,預應力組合梁中混凝土板往往能夠壓碎,混凝土板的過早壓碎,使得鋼梁難以產生較大的應變,限制了正彎矩區截面的轉動;在負彎矩區,由于要保證使用狀態下的性能,必然增加棍凝土板中的配筋或施加預應力來限制裂縫的發生發展,同樣限制了負彎矩區截面的轉動;另一方面,負彎矩區混凝土對側向扭轉屈曲提供了附加約束,而側向屈曲會影響到鋼截面的扭轉和翹曲。側向約束效應的量化尚有待于進一步的試驗研究。

  結構彈塑性穩定承載力的計算本質上是一個尋找荷載一撓度曲線的極值問題,由于涉及到幾何非線性(穩定的變形本質及初始缺陷)和材料非線性(部分或全部進人塑性)以及這兩者的藕合作用,涉及到多模態屈曲以及后屈曲行為,使得這方面的研究所遇到
的困難遠比彈性穩定性理論大得多。比如板殼失穩時,應力分量之間的變化很激烈,按理說全量形式的本構理論已不適用,但是實驗結果卻支持全量理論,增量本構理論結果的誤差反而較大,個中原因,目前尚無明確結論。許多討論都是針對具體模型或具體構造來進行的,而關于彈塑性穩定分叉的一般性理論還很不成熟,尚待進一步的發展。

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