高强度钢材焊接工字形梁局部稳定性及设计
摘 要：加工性能优良的高强度钢材应用日益广泛，文章重点关注高强度钢构件的稳定性能，采用合理的方法对高强度钢材工字形梁局部稳定性能进行分析，并采用通用有限元软件ANSYS模拟高强度钢材的力学性能、几何初始缺陷、焊接残余应力、初始加载偏移的有限元模型，进行局部压力加载条件下的工字形梁参数分析，以及高强度钢材工字形梁局部稳定性设计。
关键词：高强度钢材;焊接;工字形梁;局部稳定性
高强度钢材焊接工字形梁能够较好地提高构件的承载能力，其化学组成成分和微观结构会导致材料的力学性能、焊接性能及构件稳定受力性能发生改变，文章主要探讨高强度钢材焊接工字形梁的材料力学性能、构件初始缺陷和工字形梁稳定受力性能，并利用相关软件进行高强度钢材工字形梁局部稳定性的设计。
1 高强度钢材焊接工字形梁局部稳定性试验分析
以高强度钢材焊接工字形梁试件为对象，进行静力单调加载试验，获悉高强度钢材焊接工字形梁的局部稳定性能。
1.1 材料性能
选取拉伸试验钢材，对其进行加载试验，沿试件拉伸方向布设应变片，测量获取不同试件的工程应力-应变曲线，可知Q460和Q550高强度钢材的应力-应变曲线存在屈服平台，然而其屈服平台相对较短，而Q890高强度钢材则不存在屈服平台，表现出材料性能的稳定性存在一定的差异，随着钢材屈服强度的提高，钢材的屈服强度和断后伸长率逐渐降低。
1.2 局部几何初始缺陷的测量
高强度钢材焊接工字形梁的局部几何初始缺陷直接影响构件的局部稳定性。由于板件自身的不平整性和焊接变形现象，可以选用新型连续测量方法和三维扫描摄像技术，对其进行不同批次试件的局部几何初始缺陷的测量。通过测量可知，不同截面的局部几何初始缺陷数据和模态存在差异，构件中间部位远离加劲肋的截面具有较大的几何初始缺陷，而靠近加劲肋截面的初始缺陷幅值较小[1]。
2 高强度钢材工字形梁局部稳定性设计方法
基于上述高强度钢材工字形梁的试验结果，在考虑板件宽厚比、钢材屈服强度等参数的条件下，对纯弯、弯剪、局部压力3种不同加载作用下的高强度钢材工字形梁，进行局部屈曲后极限承载能力的设计和计算。
2.1 纯弯加载下工字形梁的极限弯矩设计方法
基于纯弯加载工字形梁有限元计算结果的前提，选取Q460，Q550，Q690，Q800，Q960这5种高强度钢材试件，相关参数有翼缘宽厚比有10，12，16，20，25;腹板高厚比：160，200，250，300。通过设计可知，当翼缘正则化宽厚比和腹板正则化高厚比增大时，纯弯加载工字形梁的正则化极限弯矩减小。并且，通过截面分类限值公式计算可知，当纯弯工字形梁的翼缘宽厚比和腹板局部稳定宽厚比为1时，各试件的正则化极限弯矩也接近1，表现出极其清晰的变化关系，较好地反映了高强度钢材焊接工字形梁正则化弯矩的变化规律。
由上述可知，纯弯加载下工字形梁的设计承载力较高，提高构件截面的利用效率，并在建议公式计算方式下，平均值为0.98，标准差为0.04，体现出设计结果的方差较小，有效地降低了设计方法的离散性。
2.2 弯剪加载下工字形梁的极限弯矩设计方法
选取Q460，Q550，Q690，Q800，Q960这5种高强度钢材试件，相关参数有：翼缘宽厚比：4，6，8，10，12;腹板高厚比：30，40，50，60，80，100，120，140。通过有限元计算可知，当翼缘正则化宽厚比和腹板正则化高厚比增大时，弯剪加载工字形梁试件的正则化极限弯矩减小。相较而言，跨度较短试件的正则化极限弯矩变化范围较大，而跨度较长试件的正则化极限弯矩变化范围较小，其主要是由短跨试件有剪力削减作用所导致的，隨着板件宽厚比的增大，剪力削减作用愈加突出。
同时，弯剪加载试件的正则化极限剪力存在显著的分层现象，各层数据点的翼宽厚比表现出差异性。当同一腹板高厚比试件的翼缘宽厚比增大时，其正则化极限剪力也相应增大。而当同一翼缘宽厚比试件的腹板高厚比增大时，其正则化极限剪力呈现出先增大再减小的现象，在各层数据点呈现出不同的峰值。当腹板宽高比增大时，试件正则化极限弯矩整体增大，但增幅逐渐趋缓。当腹板宽高比大于2.778时，试件正则化极限剪力整体上保持不变[2]。
通过上述不同跨度弯剪加载试件正则化极限弯矩的计算分析可知，当弯剪工字形梁的翼缘和腹板局部稳定的相关宽厚比值为1时，各试件的正则化极限弯矩也趋近于1，工字形梁试件的正则化极限弯矩随相关宽厚比值的增大而趋于缩减。
2.3 局部压力加载下工字形梁的极限荷载设计方法
同样引入相关板件宽厚比的概念，进行局部压力作用下高强度钢材工字形梁局部稳定极限荷载相关宽厚比的设计和计算，得出的结果全部安全，然而存在一定程度的截面强度浪费现象。在构件板件宽厚比增大的同时，正则化极限荷载减小，导致设计结果与试验结果存在较大的偏差。
3 结语
综上所述，高强度钢材焊接工字形梁局部稳定受力性能和设计是关注焦点，要分析板件在弯矩和剪力作用下的弹性稳定问题，进行纯弯、弯剪、局部压力加载下的高强度钢材工字形梁的局部稳定试验，提出高强度钢材工字形梁的局部稳定设计方法。后续还要加强对不同加载方式下高强度钢材工字形梁的局部稳定受力性能的研究，分析不同跨度、截面形式高强度钢材梁构件的局部稳定性。
[参考文献]
[1]徐克龙，石永久，李一昕.高强度钢材受弯构件局部稳定设计方法对比[J].工业建筑，2016（9）：136-143.
[2]熊刚，杨波，王赛博，等.ANSYS钢焊接H形梁整体稳定性能试验研究[J].工程力学，2016（33）：218.
作者简介：吕康（1990— ），男，江苏常州人，学士;研究方向：机械设计。