焊接薄壁箱形截面构件研究现状

　　摘要：焊接薄壁箱形截面构件具有优良的截面性能，但是受到宽厚比的限制，构件易发生局部失稳破坏。论述了构件的特点以及目前国内外的研究现状，并指出有待从刚度方面对构件进行深入的试验研究，为箱形截面构件设计提供参考。

　　关键词：箱形构件；局部稳定；刚度；设计

　　0前言

　　钢材具有强度高、质量轻、力学性能良好等优点，是制造结构物的一种很好的建筑材料，随着经济发展，钢结构凭借其自身的优势，广泛应用于我国的建筑、桥梁以及其他工程结构中。近年来，在大跨度钢结构设计中为满足建筑功能、造型及结构安全的需求，焊接箱型构件得到了大量应用。

　　1薄壁箱形构件特点

　　箱形截面构件由四块钢板焊接而成，由材料力学可知，杆件的截面越开阔，惯性矩越大，力学性能越好，因此箱形截面构件在两个主轴方向都具有较好的抗弯及抗扭刚度，在承受双向偏心荷载时具有优越性[1]。薄壁是指构件长度、截面轮廓尺寸与厚度相差较大的构件。在工程应用中，“薄壁”一般是形容在出现其它破坏（如整体失稳和屈服）之前，局部板件发生了鼓曲（即发生了局部失稳）的构件。

　　焊接薄壁构件板宽壁薄，宽厚比较大，国家体育场[2]中箱形截面构件的宽厚比达到100甚至更大。随着宽厚比的增大，构件容易出现局部失稳破坏，设置适当加劲肋能够保证构件的局部稳定。

　　2焊接薄壁箱形构件研究现状

　　2.1国外的研究工作

　　LittleG.H.[3]利用数值积分在大挠度弹塑性范围内，对两端铰接轴心受压箱形截面柱的相关屈曲性能进行了分析。考虑了构件的几何缺陷（初弯曲）和物理缺陷（材料的非理想弹性与残余应力）对构件极限承载力的影响。在建立短柱的关系曲线过程中考虑了壁板局部失稳对箱形截面轴压构件极限承载能力的影响。作者还提出了一种有效屈服点法，以区别有效截面法来求解箱形截面柱的相关承载能力。

　　TsutomuUsami及YuhshiFukumoto[4]做了27个焊接箱形截面柱的轴心受压和偏心受压试验。27个试件中，24个为轴心受压构件，3个为偏心受压构件。根据试验结果，建立了中心受压和偏心受压柱的极限承载力计算公式，引入等效屈曲系数，采用有效宽度方法解决了矩形截面稳定问题的计算。该方法可以很好的预测较大宽厚比的焊接箱形截面柱子的局部屈曲性能，认为局部屈曲发生在弹性范围内。然而对于小宽厚比的柱子，公式不太符合，这是因为该方法没有考虑弯曲刚度的损失，这种损失是焊接残余应力导致的早期屈服所引起的，同时预测了柱子局部屈曲后的极限承载力。

　　2.2国内的研究工作

　　陈绍蕃[5]以轴心受压冷弯薄壁方钢管为例指出壁板具有屈曲后强度可以利用，壁板屈曲不等于整个杆件承载力丧失。杆件的整体缺陷促使截面局部弱化，弱化的局部反过来还会影响杆件的整体稳定承载力。同时指出《钢结构设计规范》GB50017-2003对箱形截面板件高厚比限值的规定失当，并提出了可以计算焊接薄壁箱形截面轴心压杆的实用方法：有效截面法和有效屈服强度法。

　　郭彦林[6]将局部屈曲的薄壁构件等效成由若干个局部屈曲的波段在局部屈曲节平面处连接而成的梁柱构件。首先分析该波段（或短柱段）局部屈曲后的弹塑性曲线，进而应用有限积分法求解薄壁构件的极限承载力。该方法解决了薄壁钩件局部与整体稳定相关作用的难题，并且具有较高的精度。

　　范重、范学伟[7]研究了焊接薄壁箱形截面构件在国家体育场中的应用，指出该类型构件按照《钢结构设计规范》GB50017-2003计算所得的有效宽度偏保守，材料利用率较低；设置加劲肋可以延迟构件的局部屈曲，提高构件承载力，减小用钢量；设置加劲肋后，构件的实际轴压比有所提高，能够维持一定的极限承载力，但延性有所下降。

　　2.3现行规范中的设计方法

　　《钢结构设计规范》GB50017-2003[8]规定箱形截面构件的验算要满足以下三个步骤：强度验算（式2.1）；平面内稳定验算（式2.2）；平面外稳定验算（式2.3）。

　　（2.1）

　　（2.2）

　　（2.3）

　　为了保证构件壁板在达到构件整体稳定极限荷载之前不发生局部失稳破坏，规范对焊接薄壁箱形截面构件宽厚比做出了如下规定：

　　或（2.4）

　　随着建筑功能及要求的提高，越来越多的构件要求截面宽厚比设计超限，对于这种情形规范没有给出设计方法。国内外学者提出了有效截面法、有效屈服强度法等适用于宽厚比超限时的设计方法。相关研究表明，规范宽厚比限值的要求是趋于保守的，在构件不承受荷载或者荷载很小时，可以不以强度控制，通过刚度变形验算，可以适当放宽次要构件的宽厚比限值，达到经济高效的目的。

　　3结语

　　国内外的许多学者进行了大量焊接薄壁箱形截面构件在不同受力模式下的相关研究工作，研究内容包括了理论分析、试验、有限元模拟等方面，这些研究充分考虑了受力模式、截面类型、宽厚比、长细比、初始缺陷、残余应力、加劲肋、钢材强度等诸多方面的因素，为焊接薄壁构件的理论，相关规范的制定以及设计方法的应用做出了重要的贡献。

　　在目前的大部分既有研究中，针对构件初始刚度的分析不多，因此有必要开展一些列相关试验研究工作，为规范的补充以及合理利用钢材提出设计建议。

　　参考文献

　　[1]陈绍蕃.钢结构设计原理（第三版）[M].北京：科学出版社，2005.

　　[2]钱稼茹.国家体育场扭曲箱形构件抗弯试验[J].建筑结构学报，2007（02）：112-119.

　　[3]Little，G.H.Thestrengthofsquaresteelboxcolumns[J].TheStructuralEngineer.1979，57A（2）49-61.

　　[4]TsutomuUsami，YuhshiFukumoto.Localandoverallbucklingofweldedboxcolumns[J].

　　JournaloftheStructuralDivision.1982，108（ST3）525-543.

　　[5]陈绍蕃.轴心压杆板件宽厚比限值的统一分析[J].建筑钢结构进展，2009（05）：1-7.

　　[6]郭彦林.冷弯薄壁箱形截面柱在偏心荷载作用下的弹塑性屈曲[J].工程力学，1990（04）：1-9.

　　[7]范重，范学伟等.焊接薄壁箱形构件在国家体育场中的应用研究[J].工程建设与设计，

　　2005（01）：21-24.

　　[8]中华人民共和国国家标准，钢结构设计规范（GB50017-2003）[S].北京：中国计划出版社，2003.