产业与科技论坛2012年第11卷第24期

端弯矩和横向力作用下工字钢梁的整体稳定性

□谷昀蒙

苗

寅

【内容摘要】现行钢结构设计规范有关钢梁整体稳定计算的条文基于简支梁的分析，对梁端为刚性以及半刚性的情况未作考

虑。本文基于上述事实对端部负弯矩和横向荷载共同作用下的钢梁弯扭屈曲进行研究，得到形式简单的回归公式，供设计人员参考。

【关键词】弯扭屈曲；端部负弯矩；等效临界弯矩系数；特征值屈曲分析；回归分析【作者单位】谷昀蒙，苗寅；中国核电工程有限公司郑州分公司

一、引言

钢梁是钢结构中应用范围很广的一类重要构件。出于节省材料的目的，钢梁通常做成高而窄的截面形式。该形式的显著特点是两个主轴的惯性矩相差很大。在主刚度平面内承受弯曲作用的梁，若在侧向没有足够可靠的支撑，当荷载达到某一限值时，在不施加微小干扰的情况下钢梁也会产生侧向弯曲和扭转，钢梁变形偏离原来的弯曲变形平面，此

［1］现象称为梁发生了侧向弯扭屈曲，或丧失整体稳定。

所示。

表1

模拟构件的几何尺寸

截面高翼缘宽度腹板厚度翼缘厚度钢梁长度

t2（mm）l（m）编号度h（mm）b1（mm）t1（mm）构件L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15L16L17L18L19L20

400400400400500500500600600600600600700700700700700800800800

160160160160200200200240240240240240250250250250250300300300

888888810101010101010101010121212

1010101010101012121212121212121212161616

8910118910911131416910121416121416

现行的钢结构设计规范中用于设计的计算公式和表格

都是基于对简支梁的分析所得到的，对于梁端的约束作用不予考虑。对于上述做法规范在其条文说明中作出如下解释：钢梁整体稳定计算中未考虑初始缺陷的影响，因此对于钢梁端部存在的约束作用不予考虑，旨在补偿未考虑的初始缺陷

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的影响。本文基于上述事实对端部负弯矩和横向荷载共

采用ANSYS通用有限同作用下的钢梁弯扭屈曲进行研究，

元程序进行模拟分析，选用20种不同截面和跨度的工字钢梁，并设置合适的模型参数对其进行模拟分析，共计算了540根钢梁。荷载作用形式分别为等值端部负弯矩和均布荷载同时作用、等值端部负弯矩和集中荷载同时作用。

二、端弯矩和横向力作用下钢梁的有限元屈曲分析

（一）工字钢梁的有限元模型。ANSYS软件的特征值屈曲分析模块要先施加参考荷载并求得参考荷载作用下结构的初应力刚度矩阵并保存。在初始刚度矩阵计算并保存完屈曲问题在程序中也就变成通过迭代法求解大型稀毕以后，

疏矩阵特征值的问题了。我们可以通过求解控制选项的定义来制定特征值的提取方法，本文采用分块兰索斯法（BlockLanczosMethod）。在大型稀疏矩阵特征值求解中该法可以得到很快的收敛速度。

对结构进行特征值屈曲分析除了上节所述必须激活应力刚化效应之外，所选择的单元类型必须能够支持该类几何非线性效应。本文选择SHELL181单元，该单元支持所有的几何非线性：大应变、大位移以及应力刚化。对于端部存在负弯矩区段的梁，由于梁跨范围内存在反弯点，受压翼缘并不仅仅局限于上翼缘，因此往往采用双轴对称的截面形式。本文所采用的模型也均为双轴对称工字形截面，并选用不同的截面尺寸和跨度，具体几何信息如表1

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Industrial&ScienceTribune2012.（11）.24