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预应力组合梁的稳定性分析

预应力组合梁的稳定性分析

作者:admin    来源:未知    发布时间:2018-07-13 14:33    浏览量:

  组合结构施加预应力后轴向压力的存在、混凝土顶板的约束效应等使得预应力组合连续结构的稳定间题变得尤为突出。但由于截面几何特征、弯矩梯度、轴向力大小、混凝土顶板配筋率等因素以及纵横向加劲肋、局部与整体相关屈曲等效应的影响,考虑塑性发展影响的预应力组合结构稳定极限承载力特性,迄今并未得到充分的认识。

  预应力组合梁的稳定极限承载力与其预应力锚具的正负弯矩区截面的转动能力有关,因此,在设计组合梁时,为了实现完全的内力重分布,应校验塑性铰的转动能力是否足够。截面转动能力主要受到以下因素的影响:(a)钢梁的局部与整体失稳;(b)材料特性如屈服强度、极限强度等;(c)截面几何特征;(d)加载方式或荷载类型;(e)预加力大小;(f)混凝土板中钢筋延性及含量等。

  1.钢梁翼缘和腹板宽厚比

  钢梁翼缘和腹板宽厚比对截面转动能力的影响是众所周知的,随翼缘宽厚比b/tf的降低,截面转动能力增强;当腹板宽厚比hW/w在允许的范围内增加时,截面转动能力下降。各国规范对工字型钢截面塑性设计的弯曲延性(即截面转动能力)要求不很一致(表7-2),但都强调发生局部屈曲就是弯矩一转角曲线开始下降,即依据翼缘和腹板宽厚比来定义转动延性,这适用于屈服强度校核。

  对于宽厚比超过上述限值的构件,GBJ17-88采用有效截面法进行设计,不考虑屈曲后的强度,只是在腹板局部稳定计算中,略微提高塑性发展参数,以考虑屈曲后的潜力;这样做的不足是:不论有无屈曲后强度,一律对局部稳定降低安全系数,使得宽厚比不大的腹板安全度偏低,而宽厚比较大的腹板又未充分利用其潜力。对于局部屈曲和整体失稳,EC.4、AISC、GBJ 17-88等是分别加以考虑的,没有考虑局部和整体相关屈曲的影响。

  2.弯矩梯度(LP/tf)

  试验研究发现,局部或整体屈曲受荷载作用方式(即弯矩梯度)的影响,而塑性区发展长度LP由外荷载作用确定;当塑性区长度Lp与翼缘厚度tf之比达到临界值时,受压翼缘发生局部屈曲,这一点GBJ 17-88规范中没有提及。另外,受压翼缘局部屈曲并
不立即导致弯矩一转角关系进人下降段,尚有屈曲后性能可以发挥。这一方面缘于翼缘受压屈曲时,侧向变形允许维持应变协调;另一方面,受压冀缘的局部屈曲明显地降低了截面对侧向屈曲的抵抗,有可能导致侧向屈曲的发生。

  3.侧向屈曲长细比(Li/ry)

  侧向支撑间距之半Li与钢梁受压部分(翼缘和部分腹板)回转半径ry之比Li/ ry定义为侧向屈曲长细比。当该值达到临界值时,发生侧向屈曲。当Li/ry≥1 000/Fy时,应变软化(即弯矩一转角曲线开始下降)在达到塑性屈服长度Lp以后发生,Lp小于产生局部翼缘屈曲所需的长度,因此,塑性区翼缘局部屈曲不会对**弯矩抗力产生很大影响;腹板局部屈曲可能会降低侧屈抗力。一旦出现软化,侧向变形就会加大,塑性区进一步扩展,导致局部屈曲发生,这本是侧向屈曲的结果,但是卸载后的**变形也许会过分突出了局部屈曲对破坏的影响,尤其在较高的侧屈长细比的情况下,当侧向变形以弹性为主时,往往如此。当Li/ry < 1 000/Fy时,应变软化在塑性屈服长度Lp以内发生,且Lp足以容纳局部翼缘和腹板联合屈曲所需要的波长,结果在屈服区域内翼缘局部屈曲在**侧屈附近起到部分铰的作用,直接限制了截面转动和**抗力。弯曲抗力的大小和翼缘局部屈曲波长受腹板局部屈曲的影响,特别是当Li/ry降低时往往导致翼缘和腹板局部屈曲与侧向变形屈曲的完全相互作用模态出现。由于既有试验研究中较高侧屈长细比的情况并不多见,因而许多试验中侧屈长细比的重要的应变软化对局部屈曲和侧向屈曲联合作用模态的影响也就未予考虑,今后的研究中应予以关注。

  4.轴向压力

  预应力组合梁中钢梁轴向力效应来自三个方面,一是预应力钢索提供的;二是负弯矩区钢梁用以平衡混凝土板中预应力筋或非预应力筋的受拉作用产生的;三是工字型钢梁上下翼缘尺寸不等产生的。轴向压力的存在,使得钢梁截面受压区高度加大,截面
延性分类时,规范是以调整腹板长细比限值来反映腹板受压区高度的加大,这样处理对翼缘和腹板局部屈曲或相关屈曲不甚敏感;另外实验显示,腹板受压区高度加大,会导致锚具截面转动能力(延性)的明显降低。这是因为:1)构件屈服区域的非弹性转角是由该区域内非弹性曲率积分而得,曲率或应变梯度是随腹板受压区高度增加而减小的,这种效应用于解释轴向压力存在导致延性损失是可行的;2)受压部分腹扳较大的高度增加了腹板屈曲的可能性;3)受压部分(翼缘和部分腹板)回转半径ry随计算ry时受压弹性截面部分增加而减少。截面转动延性的明显降低,使得结构达不到形成机构时的荷载值。

  5.混凝土顶板的侧向约束

  在正弯矩区,预应力组合梁中混凝土板往往能够压碎,混凝土板的过早压碎,使得钢梁难以产生较大的应变,限制了正弯矩区截面的转动;在负弯矩区,由于要保证使用状态下的性能,必然增加棍凝土板中的配筋或施加预应力来限制裂缝的发生发展,同样限制了负弯矩区截面的转动;另一方面,负弯矩区混凝土对侧向扭转屈曲提供了附加约束,而侧向屈曲会影响到钢截面的扭转和翘曲。侧向约束效应的量化尚有待于进一步的试验研究。

  结构弹塑性稳定承载力的计算本质上是一个寻找荷载一挠度曲线的极值问题,由于涉及到几何非线性(稳定的变形本质及初始缺陷)和材料非线性(部分或全部进人塑性)以及这两者的藕合作用,涉及到多模态屈曲以及后屈曲行为,使得这方面的研究所遇到
的困难远比弹性稳定性理论大得多。比如板壳失稳时,应力分量之间的变化很激烈,按理说全量形式的本构理论已不适用,但是实验结果却支持全量理论,增量本构理论结果的误差反而较大,个中原因,目前尚无明确结论。许多讨论都是针对具体模型或具体构造来进行的,而关于弹塑性稳定分叉的一般性理论还很不成熟,尚待进一步的发展。

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