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钢结构研究期刊
用于预测钢板梁屈曲后剪切强度的建模参数
摘要：
桥梁火灾日益受到越来越多的关注，特别是对于钢板梁桥，网板剪力屈曲是火灾熄灭后有无必要更换大梁的失效机理之一。
本研究的目的是评估受到火灾条件的两个实验板梁试样的剪力屈曲响应，并确定如何准确地表征受到火灾的钢板梁的腹板剪切屈曲响应的计算模型。三个评估参数是：表示翼缘板的边界条件，热梯度的表示，以及与板坯的复合作用。为了达到这个目的，将具有不同参数的有限元模型与实验结果进行比较。结果表明复合板坯的存在显着增加板梁的剪切能力。热梯度的存在使得与均匀的温度分布相比，翼缘板的有限元建模对结果更敏感。以均匀温度等于纤维网的温度对梁进行建模，得到与热梯度建模相似的结果。
文章信息：
文章历史：
收到：2015年9月21日
于2015年12月16日修订
接受发表2016年1月2日
可在线使用于2016年1月27日
关键词：
屈曲
剪切强度
有限元素
钢板梁
热梯度
桥火
- 介绍
引言说的对公路基础设施构成重大风险，特别是公路基础设施钢板梁桥[1]。缺乏防火（主动或被动）意味着钢构件可能直接暴露于高架发生火灾时大火中，火灾发生在它或在其附近的桥。另外，由于这些钢板梁通常是具有高网幅细长比，它们容易产生剪切屈曲高温失效[2,3]。在美国各地发生了几起明显的火灾导致钢梁桥坍塌或严重受损[1]。 I-80东部两个跨度到I-580东面的倒塌麦克阿瑟迷宫高速公路，在加利福尼亚州奥克兰由于a油罐车的火力加大了这些火灾情况的严重性。2007年4月29日发生的这场爆炸后果显示在图1（a）。更换桥梁花费900万美元，而经济对旧金山湾区的影响估计为每天600万美元，桥梁关闭共26天[1]。图1（b）显示油轮在宾夕法尼亚州哈里斯堡的I-81 / Route 322交汇处内发生火灾，2013年5月9日。钢桥没有崩塌，造成广泛的破坏促使其拆迁。图1（c）显示了广泛的变形，由于发生在I-65 / I-59 / I-20上的油罐车卡车，桥梁钢板梁在2002年1月5日在阿拉巴马州伯明翰的交汇处的油罐车火力如图1（b）所示，桥没有崩溃但损失很大，结构被拆除并重建。在桥梁中观察到网剪切屈曲图1（b）和（c），这些研究目的是探讨如何建立失效模型有助于提升防火性能钢板梁的桥梁[2,4]。大多数有限元分析和实验研究稳定地进行高温下的网剪切屈曲状态，在均匀的温度下[2,5,6,7]。这些研究一直很重视了解产生屈曲剪切强度后的步骤如何在较高的温度下，但在实际情况下，热梯度预计钢板梁由于不均匀而发展结构加热，在风等环境条件下火的本质不同[8]。Peris-Sayol等人最近的一项研究[9,10]数字重新创建完整的桥梁火灾情景从火灾发展开始对桥本身的影响。计算流体力学（CFD）模型数字表现了从油罐车的火力装载碰撞相邻的钢板大梁公路桥梁。使用结果从他们的CFD模型，作者然后能够使用有限元素模型来表征结构防火性能在非复合桥遭受火灾时的情况。
密歇根州立大学与普林斯顿大学合作，对经过设计防火装载的三种不同的复合钢梁进行实验。测试的大梁经历了热梯度，因为实验是在瞬态温度条件下进行的（即使用时间 - 温度曲线）。这些实验的目的是研究弯曲和剪切时钢板梁遭受火灾的能力。本实验的相关细节将在下一节讨论，其他细节也可在[4]中找到。本文提出的工作建立在这个实验工作的基础上，着重于网剪切屈曲。本研究的目的是（1）评估网剪切屈曲在火灾条件下两个实验样品的响应和（2）确定复杂的计算模型如何必须准确地表征受到火灾的钢板梁的腹板剪切屈曲响应。评估三个参数：表示翼缘板的边界条件，热梯度的表示和与板坯的复合作用。为了达到这个目标，有限元将具有不同参数的模型相互比较其实验结果。这项工作是新颖和重要的，因为如前所述，桥梁火灾正在日益受到关注，特别是对于钢板桥梁，其中剪切屈曲可能导致严重损坏并导致桥梁的拆除。此外，这是在热梯度和板坯复合作用下网板剪切屈曲的第一项研究。
- 实验
作者对密歇根州立大学的三条钢梁进行实验[4]。 本文的这一部分通过对所测试的两条梁的网剪切屈曲响应进行了详细而深入的分析，对[4]中讨论的工作进行了扩展。 讨论了实验装置和方法; 在测试的三条桁材中，其中两根被观察到由于组合的机械和热施加载荷而经历了网剪切屈曲。 由于组合的机械和热负荷，第三个梁遭受了弯曲破坏，并且由于该梁没有观察到网板剪切屈曲，所以不是这个特别讨论的焦点。 [4,11]可以发现钢梁对机械和热负荷相结合的弯曲响应的完全处理。
2.1。 建立
在密歇根州的三个独立测试中测试了三条钢梁，在州立大学，标有G1，G2和G3。这些大梁被测试了机械和高温组合下的故障。Girder G1是热轧W24times;62部分，而桁架G2和G3根据2012年AASHTO设计的建筑板梁，LRFD桥梁设计规范[12]。所有三个样品都用A572 Gr 50钢制成，高强度，低合金钢是公路桥梁施工的常用材料。以下讨论将会专门针对桁架G2和G3，因为它们的细长比，以翼缘板（D）除以腹板厚度（tw）等于122，从而使得这些桁材易受影响到网剪切屈曲。
表1列出了物理尺寸和加载参数大梁G2和G3。两条大梁的厚度均为0.140米
混凝土板，有效宽度为0.831米，并设计实现全复合动作。这种混凝土板是炉装置的组成部分，因为它也用作炉的顶盖，密封室，从而可以调节炉温。此外，它允许测试桁架暴露在三面的火中，情况类似于实际的桥梁火灾情况。有效
宽度等于大梁中心线之间的距离的两倍。从表1可以看出，施加的载荷值（VExp）
被选择为使得两个大梁G2和G3具有相同的VExp/ Vu设计值，其中Vu设计等于环境温度下样品的剪切能力。图2显示出了在炉前的梁G3的放置。组合机械和消防装载试验开始。执行器如图1所示。位于两条桁架G2的中跨G3。该实验设置的其他细节可以在[4]中找到。首先通过逐渐增加试样进行机械加载执行器中的液压。一旦目标载荷，VExp，达到了30分钟保持时间保持允许执行器
装载稳定。在这30分钟的持续时间之后，按照ASTM E119温度与温度火焰曲线的火焰载荷。当VExp保持不变时应用。大梁被考虑。如果记录了垂直偏移，则会发生故障。超过L / 30（L等于跨度长度），或者梁不再能承受施加的载荷VExp。
由于在组合的VExp下的剪切屈曲，Girder G3失败。负载和ASTME119时温火灾曲线，而梁G2在组合的网剪切屈曲和弯曲模式中失败[4]。图 3显示梁剪切机构的两幅图像。可见图3（a）是通过炉膛之一拍摄的照片，其示出了在火灾期间形成对角线张力场（沿着对角线可视为面外变形的区域）。图3（b）是这些平面外变形在大梁中的特写图像G3冷却后从炉中取出。
2.2 网剪切屈曲的结果
图4显示出了代表性的横截面和等距视图大梁G2和G3。顶部翼缘板的热电偶位置（Ttf1，Ttf2），底部翼缘板（Tbf1，Tbf2），并通过网的深度（Tw1 / 4，Tw1 / 2和Tw3 / 4）和加强筋（Tstf1 / 4，Tstf1 / 2和Tstf3 /4）。 图4（a），图4（b）显示了横截面基于热电偶分布在整个大梁上的温度数据。标有❶，❷，❸，❹和❺的部分对应热电偶数据记录从（1）Tbf1的平均值和Tbf2，（2）Tw1 / 4，（3）Tw1 / 2，（4）Tw3 / 4和（5）Ttf1和Ttf2。
图5绘制从热电偶收集的温度对时间数据如图1所示。 4为桁架G2和G3，以及炉温度和ASTME119火焰曲线显示炉温度匹配设计火焰曲线。图5（a）和（b）显示通过幅材的不超过52°C的轻微热梯度。它也可以看出，底部翼缘板温度类似于网。然而，观察到温度之间的显着差异，顶部翼缘板和梁的其余部分。图6绘出了在下面测量的幅材的平面外位移。腹板的中心大致与中间跨度相邻，用于大梁G1，G2和G3。由于大梁G1因弯曲而失效，没有经验的网剪切屈曲，它没有测量的平面外的网页位移。大梁G2和G3未能达到L /30在35和38分钟，如图1所示。 Girder G2在大约t = 27分钟时经历弹性屈曲，如图1所示。 6作为第一个点，其中超出了平原的位移要首先测量。屈服点（达到L / 30）发生在35分钟前，执行器在36分钟内显示，其中紧密匹配测量的最大的平面外位移网板。 Girder G3在t =19分钟经历弹性剪切屈曲，但直到t = 38分钟才失效。两分钟后执行器显示，像Girder G2一样，这一次与之相配最大排水量。由于这个测试保持了重力负载常数和失效是通过偏转极限来测量的。由于执行器运行中断，评估精确的时间。最终的postbuckling发生是不可能的。众所周知
容量至少等于在L /30;因此，保守地假定这个时间标记达到最终后屈曲剪切能力的点。从图6，可以看出，大梁G3有更多的时间来发展后弯曲剪切强度大于梁G2。时差弹性和极限剪切屈曲8分钟，对于大梁G2和大梁G3为19分钟。桁架G2和G3之间的主要区别是他们的a / D值（大梁1.0为1.0，桥梁G3为1.5）。基于实验观察，梁G3由于网剪切屈曲而失效而由于弯曲和腹板剪切的组合，梁G2失效屈曲。表2比较了顶部翼缘板，四分之一和半点通过网的深度，底部翼缘板测量。当桁架G2和G3达到弹性和最终的后屈曲剪切强度时。该表中的结果显示。桁架G2和G3的后屈曲剪切强度在a上开发大梁段温度变化的时间段。
根据表2，温度差（Delta;T）为在桁架G2的时间段内观察到49℃至231℃和G3正在发展其各自的后屈曲剪切强度。大梁G2在比较高的温度下达到弹性临界屈曲
Girder G3因其较小的a / D值较大。屈曲系数（k），因此具有较大的临界屈曲载荷。这个结果是由于较大的a / D比导致较低的屈曲系数（k），从而降低临界屈曲载荷。在大约相同的温度下达到大梁G2和大梁G3。由于两个桁架具有相同的载荷比（即施加的载荷），设计容量负荷，这是基于极限剪切屈曲能力，
需要同样的机械材料性能的降低（这是温度的函数）来实现负载能力。
- 有限元模型
在以前作者的研究[4]中，有限元模型是发展成为能够预测火灾反应的能力的钢桥梁，显示屈服的时间和屈服的模式。“相反，目前的研究使用有限元分析来确定目标。哪些建模参数对预测敏感钢板梁的网剪剪力能力。这样的敏感度分析回答了一个计算模型复杂的问题需要保持适当的准确性。为此，研究了三个建模参数：
热梯度：横截面的热梯度为简化，其中两种变化均匀的温度通过
离散热梯度的深度和两个变化分析
翼缘板表示法：翼缘板被简单地建模，支持（标记为SS）或者它们被明确地建模（标记为）翼缘板。
复合板：复合板对剪切的影响，通过将一个模型与a进行比较来评估该部分的能力。
这些参数的细节和有限元模型开发本研究将在以下小节中给出。结果，并与之前讨论的实验进行比较
下一节。
3.1。材料模型
钢梁从G3和G3取样用于测试材料性能在环境温度。这些属性报告在[4]总结，在表3中。三个测量值的平均值在表3中报道用于开发高温性能（20°C至1200°C）基于Eurocode材料模型[13]。使用表3中的sigma;u值作为2％值的sigma;y欧洲编码高温材料模型;允许使用此模型因为高温材料的性能被确定为a环境温度材料的温度依赖性降低属性。
3.2。建模翼缘板
图7示出了用于两组有限元模型代表翼缘板。标有SS和翼缘板的这两套是指有限的元件型号，其中翼缘板被简单的支撑件更换或翼缘板被分别明确地建模。表4列出了SS和翼缘板组有限元的边界条件型号（本文称为G2 SS，G2翼缘板，G3 SS和G3翼缘板），其中“x”表示限制的自由度。 UX，UY和UZ是指x-，y-和...的平移自由度z轴，而URX，URY和URZ是指旋转自由度关于x轴，y轴和z轴。横向加强件理想化为网板提供简单的支撑[14]。
3.3。网格收敛研究
使用特征值进行网格收敛研究在20°C下用有限元软件Abaqus进行提取分析。这是一个弹性分析，输出一系列相关的特征值具有特定的本征模式（屈曲模式形状）。通常最低正特征值乘以预载以获得弹性剪切屈曲载荷Vcr。多个本征模的线性叠加如果观察到紧密间隔的特征值，则可能是必需的，但是这一点研究的模型不是这样。 S4（双曲，通用，选择有限膜菌株）壳元素网格[15]。从有限元特征值提取获得的Vcr值分析（VcrFE）与使用古典计算的值进行比较
方程[16]：
其中nu;是泊松比，k是弹性剪切屈曲系数，这取决于a / D和假设的边界条件翼缘板。 对于所有四个边缘上简单支持的网板横向加强件和法兰的简单支撑，
k = kSS可以计算为[16,17]：
当翼缘板被明确考虑时，k值可以是计算为翼缘板之间的情况下的插值
假设简单地支撑或固定。当考虑翼缘板时固定[14,16,18]，k = ksf可以计算为：
研究了各种网格密度，选择了网格
G2 SS，G2翼缘板的百分比误差分别为0.81％，1.28％，0.88％和1.83％
G3 SS和G3 Flange型号。计算百分比误差通过从有限元中获取Vcr的差异
基于公式（1）并根据方程式（1）除以Vcr。。
3.4。复合板建模
图的模型迄今为止所讨论的并不考虑板坯。在作者以前的实验[4]，然而，复合板是当下。图1所示的法兰有限元模型。 7个修改为包括混凝土板，如图1所示。图8（a）和（b）大梁G2和G3。图。图8（c）表示剖视图的大梁G
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