第11期 武晓东等：抗弯刚度比对加劲板屈曲性能的影响 ·1353· 陷，使用有限元模型对有矩形开孔的加劲板在纵向 用于研究复杂结构的稳定性能 和横向荷载作用下的极限强度进行了研究.对比以 建筑的大型化和复杂化对加劲板结构的要求越 上三种理论模型可以发现：正交异性板模型只能用 来越高，但我国钢结构规范对加劲板屈曲性能尚无 来预测加劲板发生整体屈曲失稳的屈曲荷载，弹性 完善的规定.本文以一大型薄壁钢结构的加劲板为 压杆模型仅适用于以局部屈曲为主要失稳模态的加 研究对象（如图1），采用有限元方法，考虑了加劲板 劲板，而有限元模型克服了前两者的局限，能够全面 不同抗弯刚度比和加劲肋布置方式等因素，分析了 考虑影响结构稳定性能的因素，计算结构的整体和 加劲板线性屈曲和非线性屈曲性能，为加劲板的稳 局部屈曲模态，并能得到相对满意的结果，因而广泛 定性设计提出了一些实用的建议. 图1大型薄壁钢结构加劲板 Fig.I Stiffened plate with large-scale thin-walled steel structure 1加劲板的抗弯刚度比 分别为加劲肋的厚度和高度 加劲板母板中线 加劲板的抗弯刚度比是加劲肋抗弯刚度与母板 抗弯刚度的比值，它对加劲板的屈曲性能有很大影 响，可用下式表示： 加劲肋 EI. 6' y=bD° (1) 图2加劲板结构示意图 式中：E为加劲板弹性模量；L,为加劲肋截面以板中 Fig.2 Schematic diagram of a stiffened plate Ee 线为轴的惯性矩；b为加劲肋间距；D= 12(1-v2)’ 本文通过变化加劲肋高度h,(10~130mm)改 表示单位宽度母板的抗弯刚度，！为加劲板母板厚 变加劲板抗弯刚度比，考虑了13种不同刚度比 度，v为泊松比.加劲板示意图如图2所示，t,和h. (0.03~54.93),如表1所示 表1加劲板抗弯刚度比 Table 1 Flexural stiffness ratio of stiffened plates h./mm 10 2030 4050 60 70 8090 100110120 130 抗弯刚度比，y0.030.200.681.603.135.408.5812.8018.2325.0033.2543.2054.93 实际工程中，加劲板的边界条件常介于简支和固定 2抗弯刚度比对加劲板线性稳定性能的影响 之间，所以本文考虑了加劲板在四边简支和四边固 本文使用ANSYS研究单向加劲板和双向加劲 定两种理想边界条件下的屈曲性能. 板的屈曲性能，加劲肋为扁钢，建模时均采用 2.1单向加劲板的线性稳定性能 SHELL单元.加劲板尺寸为6m×3.9m,其中加载 单向加劲板的加劲方向与加载方向相同.为研 边长度b=6m,加劲板母板厚度t=0.006m,承受y 究不同刚度比和不同加劲肋布置对加劲板屈曲性能 方向的均布压力.n表示加劲板x方向加劲肋数量， 的影响，图3中的加劲板在加载方向分别布置了3、 m表示加劲板y方向加劲肋数量.加劲板均采用 4和5根加劲肋，研究中对三个加劲板模型分别考 Q345钢，其工作温度为420℃，根据《火力发电厂烟 虑了四边简支和四边固定的情况 风煤粉管道设计技术规程》可知，Q345钢在该温度 单向加劲板屈曲荷载随抗弯刚度比的变化规律 下的弹性模量为160GPa,屈服强度为176MPa.在 如图4和图5.可以明显地看到，加劲板的屈曲模态第 11 期 武晓东等: 抗弯刚度比对加劲板屈曲性能的影响 陷，使用有限元模型对有矩形开孔的加劲板在纵向 和横向荷载作用下的极限强度进行了研究． 对比以 上三种理论模型可以发现: 正交异性板模型只能用 来预测加劲板发生整体屈曲失稳的屈曲荷载，弹性 压杆模型仅适用于以局部屈曲为主要失稳模态的加 劲板，而有限元模型克服了前两者的局限，能够全面 考虑影响结构稳定性能的因素，计算结构的整体和 局部屈曲模态，并能得到相对满意的结果，因而广泛 用于研究复杂结构的稳定性能． 建筑的大型化和复杂化对加劲板结构的要求越 来越高，但我国钢结构规范对加劲板屈曲性能尚无 完善的规定． 本文以一大型薄壁钢结构的加劲板为 研究对象( 如图 1) ，采用有限元方法，考虑了加劲板 不同抗弯刚度比和加劲肋布置方式等因素，分析了 加劲板线性屈曲和非线性屈曲性能，为加劲板的稳 定性设计提出了一些实用的建议． 图 1 大型薄壁钢结构加劲板 Fig． 1 Stiffened plate with large-scale thin-walled steel structure 1 加劲板的抗弯刚度比 加劲板的抗弯刚度比是加劲肋抗弯刚度与母板 抗弯刚度的比值，它对加劲板的屈曲性能有很大影 响，可用下式表示: γ = EIs b'D． ( 1) 式中: E 为加劲板弹性模量; Is 为加劲肋截面以板中 线为轴的惯性矩; b'为加劲肋间距; D = Et 3 12( 1 － ν 2 ) ， 表示单位宽度母板的抗弯刚度，t 为加劲板母板厚 度，ν 为泊松比． 加劲板示意图如图 2 所示，ts和 hs 分别为加劲肋的厚度和高度． 图 2 加劲板结构示意图 Fig． 2 Schematic diagram of a stiffened plate 本文通过变化加劲肋高度 hs ( 10 ～ 130 mm) 改 变加劲板抗弯刚度比，考 虑 了 13 种 不 同 刚 度 比 ( 0. 03 ～ 54. 93) ，如表 1 所示． 表 1 加劲板抗弯刚度比 Table 1 Flexural stiffness ratio of stiffened plates hs /mm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 抗弯刚度比，γ 0. 03 0. 20 0. 68 1. 60 3. 13 5. 40 8. 58 12. 80 18. 23 25. 00 33. 25 43. 20 54. 93 2 抗弯刚度比对加劲板线性稳定性能的影响 本文使用 ANSYS 研究单向加劲板和双向加劲 板的 屈 曲 性 能，加 劲 肋 为 扁 钢，建 模 时 均 采 用 SHELL 单元． 加劲板尺寸为 6 m × 3. 9 m，其中加载 边长度 b = 6 m，加劲板母板厚度 t = 0. 006 m，承受 y 方向的均布压力． n 表示加劲板 x 方向加劲肋数量， m 表示加劲板 y 方向加劲肋数量． 加劲板均采用 Q345 钢，其工作温度为 420 ℃，根据《火力发电厂烟 风煤粉管道设计技术规程》可知，Q345 钢在该温度 下的弹性模量为 160 GPa，屈服强度为 176 MPa． 在 实际工程中，加劲板的边界条件常介于简支和固定 之间，所以本文考虑了加劲板在四边简支和四边固 定两种理想边界条件下的屈曲性能． 2. 1 单向加劲板的线性稳定性能 单向加劲板的加劲方向与加载方向相同． 为研 究不同刚度比和不同加劲肋布置对加劲板屈曲性能 的影响，图 3 中的加劲板在加载方向分别布置了 3、 4 和 5 根加劲肋，研究中对三个加劲板模型分别考 虑了四边简支和四边固定的情况． 单向加劲板屈曲荷载随抗弯刚度比的变化规律 如图 4 和图 5． 可以明显地看到，加劲板的屈曲模态 ·1353·