箱型梁加强筋连接方式对腹板局部稳定性的影响

华电重工股份有限公司上海分公司　王华贵　陈　振

摘　要： 港口机械结构中的箱梁在承受压力作用时腹板容易失稳，需要在腹板上焊接加强筋来提高其稳定性。本文研究了腹板的失稳形式,同时对加强筋的强弱及连接方式对腹板屈曲的影响进行了计算比较。

关键词： 箱型梁； 稳定性； 加强筋

Influence of the Stiffener Attended Mode to the Web's Local Stability on Box Girder

Shanghai Company Huadian Heavy Industries Co., Ltd.　Wang Huagui　Chen Zhen

Abstract： Box girders on hoisting machinery's structural are prone to instable under the pressure, so it's necessary to enhance stability by welding stiffener on webs . This paper researchses the instable types of webs and compares the influence of the strength of stiffeners and the attended mode to the bucking of webs.

Key words: box girder； stability； stiffener

起重机械中的箱梁，是4块板通过焊接形成的，当箱梁压应力达到一定的程度时，容易造成腹板或翼板发生屈曲现象发生，进一步造成整体结构的破坏，因此在工程设计时需要避免箱梁腹板和翼板发生屈曲。常采用的措施是在板上焊上加强筋，将板件分割成不同尺寸的区隔，减小板的宽度，从而避免板发生屈曲。在板上加筋的方法通常有2种，一是筋在隔板处连续，二是筋在隔板处断开，见图1。

图1　筋的不同形式

对于这两种形式的筋在限制板发生屈曲方面的影响常常困扰设计人员，本文对此进行了计算分析，对相同截面参数的箱梁，分别分析不加筋及加不同根数的筋时以及不同的加强筋连接方式对腹板屈曲的影响，同时本文还分析了强筋和弱筋在限制腹板失稳时的不同效果。

1　板屈曲理论

从弹性力学的理论可知，板在纯弯曲状态下的曲面微分方程为：

(1)

其中

为板的抗弯刚度。

假定符合简支边界条件的挠度函数为：

(2)

对于四边简支的情况，上式边界条件为简支边处的挠度和弯矩均为零。m为x方向的半波数，n为y方向的半波数，a和b为板的长和宽。

将式(2)带入式(1)，可得临界压力的值：

(3)

临界应力表达式为：

(4)

式中，k为板件稳定系数。

工程中箱梁翼板由于厚度尺寸比截面的高度尺寸小很多，沿翼缘板厚度方向的应力梯度不大，可看作为均匀受压板。受弯构件的腹板则受到不均匀拉压作用。在计算板的屈曲载荷时，需要根据翼板与腹板不同的受载方式及约束方式来选取式(4)中参数k和x的值，具体见文献[1]。

从式(4)中可以知道，随着板宽增加，板的临界屈曲载荷会迅速减小，板宽对板的屈曲影响很大，应该防止板宽过大，从而避免板发生屈曲。因此在宽度比较大的板中间加筋将板分割为宽度较小的区隔板是一个有效的方法。对于前面描述的2种方式的筋，根据刚性的大小，可分为刚性筋和柔性筋。刚性筋的刚度较大，板的屈曲只在被筋分割开的区隔板内部发生。而对于柔性筋，屈曲发生时，板和筋一起发生屈曲变形[2]。

2　加筋板屈曲数值仿真分析

本文中取一段箱梁来进行仿真分析，梁的参数为：梁长4 780 mm，腹板宽3 812 mm，翼板宽2 440 mm,翼板厚12 mm，腹板厚10 mm。加载方式为梁段的两端均匀的施加压力。图2 给出了不同加筋方式的箱梁，左图隔板处筋断开，右图隔板处筋连续。

图2　箱梁模型

首先分析加强筋连续的情形下，随着筋数的增加，板的屈曲极限载荷及屈曲形式。利用Ansys特征屈曲分析，得到屈曲模态，第一阶屈曲模态代表最小的屈曲载荷系数。图3中给出了板加连续筋时，随着加筋数的增加，板的屈曲出现的形式和位置。

图3　腹板在不同加筋数对应的屈曲状态

表1中可以看出不同加筋数对应的特征屈曲载荷值。

表1　连续对应的屈曲载荷

序号筋数最大区隔板宽/mm屈曲特征值1038120.56346E+052123080.81580E+053216080.14377E+064315040.15860E+06549040.32502E+06658080.35142E+06

通过分析得到以下结论：

对于同样的板，加筋板比不加筋板的屈曲强度大很多。区隔板的宽度越大，加筋板越容易发生屈曲。随着区隔板宽度的减小，板的屈曲形式会发生较大的变化，由半波逐渐变为一个波的屈曲变形。

对于不同形式的加强筋，在相同的约束和受载情况下，分析腹板的屈曲状态。图4为加5根筋时对应2种不同形式筋的腹板的屈曲状况。

图4　两种不同连接形式的筋对应的屈曲状态

在最下端的区隔板中发生一个整波的屈曲，屈曲载荷见表2。

表2　不连续筋对应的屈曲载荷

序号筋数屈曲特征值屈曲载荷减小比率/%110.80458E+051.38220.14077E+062.09330.15700E+061.01440.31963E+061.66550.34662E+061.37

由表2可知：工程中常用的2种方式的筋在相同的载荷和约束条件下，板屈曲极限载荷值相差很小，基本在2%以内。从理论上分析则主要是由于屈曲时，2种筋的变形能相差不多，由最小势能原理求出的屈曲载荷比较接近[2]。

前面讨论的情形均是在筋的强度较大即强筋的情形下，此时筋不随板一起发生屈曲，而能够保持其原来的形状和位置，从图3和图4中可以看出屈曲均是发生在区隔板内部。而对于弱筋，筋的强度较小，筋随着板一起发生变形。在弱筋下板的屈曲形式见图5，可以看到此时屈曲波的波长较大，屈曲发生的范围不仅仅局限于区隔板内，而是板和筋同时发生变形。

图5　弱筋时板的屈曲状态

从表3中的数据可知：弱筋时，板的屈曲是筋和板同时发生屈曲变形，屈曲波的波长较大。本文中，弱筋的屈曲载荷比强筋的屈曲载荷小5%～11%，同样可以看出对于弱筋，筋在隔板处断开或者连续，板的屈曲载荷相差也不大，均在3%以内。

表3　弱筋时筋不同连接形式对应的屈曲载荷

序号筋数屈曲特征值(筋连续)屈曲特征值(筋断开)217678076426320.12697E+060.12483E+06430.14008E+060.13784E+06540.30072E+060.29705E+06650.32958E+060.31690E+06

3　结论

(1)为了防止箱梁板发生屈曲，在板上加筋将板分割成宽度较小的区隔板是一种有效的方式。筋在隔板处断开开始连续对屈曲载荷影响不大。采用何种方式主要从工艺方面考虑。

(2)箱梁板上所加筋的厚度对板的屈曲影响较大，弱筋的屈曲载荷比强筋的屈曲载荷小。

参考文献

[1]　沈祖炎,陈扬翼.钢结构基本原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2005: 118-122.

[2]　曾国华，董聪，赵敏. 薄板加筋板的稳定性能分析研究[G]//中国力学学会固体力学专业委员会和流体力学专业委员会、北京航空航天大学. 首届全国航空航天领域中的力学问题研讨会论文集，2005: 312-315.

王华贵： 200122，上海市浦东新区福山路458号同盛大厦21层

DOI： 10.3963/j.issn.1000-8969.2015.06.006

收稿日期： 2015-05-14