连续侧向约束条件下薄壁梁的整体稳定分析

　　0引言

　　随着我国钢产量的提高,钢结构在建筑工程中得到广泛地使用.由于钢材的强度较高,因而截面较小,构件较为细长,并且多为薄壁构件,所以稳定破坏是其主要的破坏形式.为了提高构件的整体稳定承载力,往往设置一定数量的支撑(约束),减小构件的计算长度,控制构件发生整体失稳时的位移模态,从而达到提高构件稳定承载力的目的.钢构薄壁梁作为较为常见的结构构件,由于其受力性能较好、制作方便,在工程中得到大量使用.但薄壁钢梁通常为开口截面,如工形截面(图1),其抗扭转的刚度较差,在荷载作用下易发生弯扭形式的整体失稳—弯扭屈曲.通常认为[3, 6, 7]:梁的整体稳定问题主要是由受压翼缘的侧向弯曲引起的.因此,设置在受压翼缘的刚性侧向支撑被作为梁的有效约束,起到减小梁的计算长度、提高梁整体稳定承载力的作用;若有刚性铺板与梁的受压翼缘相连(图2),

　　则不用考虑整体稳定问题.但在一般钢框架结构中,框架梁与框架柱是刚性连接,梁的两端存在一定大小的负弯矩,使梁上翼缘在梁的中部受压,而在梁端部受拉,对应于梁的下翼缘则和上翼缘的情况相反;对于多跨次梁,若与主梁刚性相连,则次梁将作为连续梁进行计算分析,次梁在支座处也将出现一定大小的负弯矩(图3),这种现象对梁的整体稳定将产生一定的不利影响———即使考虑与梁上翼缘相连楼面板的连续侧向刚性约束作用.对于这种情况《钢结构设计规范》中并没有明确规定,而只是在结构的塑性设计中,考虑由于塑性铰的出现,使框架梁的两端约束程度降低,则在梁端应设置侧向支撑构件(钢构设计规范9·3·2条规定),保证梁整体稳定所需的边界条件.在《高层民用建筑钢结构技术规程》也基于同样目的,规定:抗震设防时,在框架横梁下翼缘距柱轴线1/8~1/10梁跨处应设置侧向隅撑(图4).

　　1模型建立

　　本文采用能量法[1],运用Matlab编制的有限元程序[4]对图5的情况进行计算分析,考虑梁端负弯矩对梁整体稳定承载力的影响,给出框架梁及连续梁设计中是否考虑梁端负弯矩影响的临界条件.分析中考虑到楼面板的平面内的刚度近似无穷大,并忽略楼面板对梁的连续扭转约束,将楼面板作为梁的连续刚性侧向支撑,作用在梁的上翼缘处;同时将楼板传递荷载作为梁上的均布线荷载,采用的分析计算模型如图5.

　　通常梁中内力|M1/M2|≤2,在分析中取|M1/M2|=2,则模拟了梁中较不利的内力情况.根据文献[7]中的解释:当弹性整体稳定系数φb≥2·5时,即相当于梁进入弹塑时的整体稳定系数φ′b≥0·95,则可不需考虑梁的整体稳定问题,而只需按强度计算来设计梁的截面尺寸,梁的弹性整体稳定系数φb表示为: