杜運(yùn)興　俞揚(yáng)　孫倩

摘要：采用數(shù)值試驗(yàn)的方法分析了基于蒙皮效應(yīng)的鋼梁在靜力情況下的力學(xué)性能.給出了該新型鋼梁的應(yīng)力分布情況，并與H型鋼梁、箱型鋼梁的承載能力進(jìn)行了比較.研究表明，相同跨度、相同質(zhì)量的新型鋼梁具有更高的承載能力，并且隨著跨度的增加，合理設(shè)計(jì)的新型梁的承載力具有更加明顯的優(yōu)勢.

關(guān)鍵詞：承載力；蒙皮效應(yīng)；有限元分析；整體穩(wěn)定；局部穩(wěn)定

中圖分類號：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AStudy on Static Behavior of Steel Beam Based on Membrane Effect

鋼梁是鋼結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)中承擔(dān)著重要的功能，在建筑結(jié)構(gòu)中具有較多的應(yīng)用，因而，降低鋼梁的用鋼量對整個(gè)結(jié)構(gòu)用鋼量的降低具有至關(guān)重要的作用，也符合綠色結(jié)構(gòu)發(fā)展的要求.為了降低鋼梁的用鋼量，近年來出現(xiàn)了不少新型薄壁鋼梁，如空翼緣梁、X形截面梁及空腹鋼梁等.這些鋼梁都不同程度地減輕了鋼梁的自重.本文根據(jù)蒙皮效應(yīng)的原理提出了一種更為合理的新型鋼梁.薄蒙皮效應(yīng)已被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，許多學(xué)者對蒙皮效應(yīng)進(jìn)行了研究.例如美國學(xué)者Luttrell[1]在試驗(yàn)中考慮了反復(fù)荷載作用對蒙皮性能的影響，并提出了半經(jīng)驗(yàn)的受力蒙皮板抗剪剛度公式；英國學(xué)者 Bryan[2-3]等針對蒙皮剛度問題進(jìn)行了大量試驗(yàn)，最終給出了蒙皮板柔度、強(qiáng)度的計(jì)算方法.這些研究成果表明，考慮薄鋼板的薄蒙皮效應(yīng)后，可以顯著地提高結(jié)構(gòu)的剛度及承載力.基于蒙皮效應(yīng)的鋼梁就是通過在鋼梁兩側(cè)設(shè)置薄鋼板及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮兩側(cè)薄鋼板的蒙皮效應(yīng)，以提高構(gòu)件整體穩(wěn)定性及剛度.

鋼梁的穩(wěn)定性直接影響其承載力，目前研究鋼梁穩(wěn)定性的方法主要有3類：第一類，采用理論方法進(jìn)行推導(dǎo)，然后應(yīng)用有限元理論進(jìn)行復(fù)核.例如，童根樹等對橫向正應(yīng)力對鋼梁整體穩(wěn)定性的影響采用板件穩(wěn)定理論的方法進(jìn)行了研究[4]；并應(yīng)用非線性力學(xué)對穩(wěn)定問題的變分原理，提出了受橫向荷載的雙軸對稱截面梁的新的臨界彎矩計(jì)算公式[5]，并用有限元軟件復(fù)核.周芬等[6]采用能量理論推導(dǎo)了上下翼緣同時(shí)受荷的工字型鋼梁整體穩(wěn)定計(jì)算公式，并用有限元進(jìn)行了分析.第二類，采用有限元進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行歸納.這種方法往往適合理論公式難以推導(dǎo)的情況.例如，秦樺等[7]運(yùn)用有限元程序，對單軸對稱工字形截面懸臂鋼梁的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到懸臂梁彎扭屈曲的臨界荷載.第三類，通過實(shí)驗(yàn)方法來研究鋼梁的穩(wěn)定性.例如，王亮等[8]通過對工字型截面組合鋼梁整體穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出影響試驗(yàn)結(jié)果精度的因素.基于蒙皮效應(yīng)的鋼梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論研究非常困難，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究更為方便，以下研究將采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)分析新型鋼梁的力學(xué)性能.

湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2013年第5期杜運(yùn)興等：基于蒙皮效應(yīng)鋼梁的靜力性能研究1基于蒙皮效應(yīng)鋼梁的組成

減少用鋼量原則：1） 在外部荷載作用下鋼梁的各個(gè)組成部分盡可能地承受單向荷載效應(yīng)，從而保證各個(gè)部件都能夠發(fā)揮其承載能力；2） 要求梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受壓部件有足夠的側(cè)向支承，以便盡可能地減少失穩(wěn)的可能性；3） 要求梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)部件盡可能處于受拉狀態(tài)，盡量減少失穩(wěn)的可能性.因此，基于蒙皮效應(yīng)的鋼梁結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成：豎向支承結(jié)構(gòu)、側(cè)面蒙皮板、上下翼緣板，這3部分是一個(gè)有機(jī)的整體，如圖1所示（上部鋼板及一端側(cè)鋼板沒有顯示）.