蒙皮板中压型钢板的整体剪切屈曲性能的研究

摘要

我国对蒙皮效应的研究起步较晚，在设计中还有许多问题需要解决。在进行蒙皮体设计时，需要依次考虑其在每一种可能破坏模式下的强度，取其最小值作为蒙皮体的设计强度。蒙皮板的整体剪切屈曲破坏模式是起控制作用的一种可能破坏模式，如何有效的确定该破坏模式下的强度也是需要解决的问题，尤其是蒙皮板与支撑构件在不同连接形式下的整体屈曲荷载。目前国内外对此问题的研究十分有限，国内的研究也主要集中在支撑构件或连接的破坏研究上，没有针对蒙皮板与支撑构件在不同连接形式下整体剪切屈曲破坏的专门研究，这正是本文研究的目的。
　　 本文的研究工作主要包括两个部分，第一部分是关于单跨蒙皮板的整体剪切屈曲的研究，第二部分是关于多跨蒙皮板的整体剪切屈曲的研究，其中第一部分是本文的重点。
　　 在第一部分中，所做的工作和相应的结果如下：
　　 利用能量法分别从小挠度理论和大挠度理论推导了单跨蒙皮板的整体剪切屈曲荷载，在此基础上，探讨了压型钢板的截面形状对整体屈曲荷载的影响，重点比较了波高和钢板厚度对屈曲荷载的影响，得出以下结论：矩形截面对应的屈曲荷载最小，三角形截面对应的屈曲荷载不是最大，最大的屈曲荷载是满足一定条件的梯形截面，但三角形截面对应的值与最大屈曲荷载差别不大。另外，增加波高比增加钢板厚度在抵抗整体屈曲方面更为有效。
　　 完成了蒙皮板与支撑构件在六种不同连接形式下的抗剪性能试验，得到了每个试件的荷载位移曲线、剪切刚度、屈曲荷载、屈曲形式、应变分布和离面位移曲线。利用有限元软件ANSYS对六个试验试件进行了有限元分析，在有限元模型中，支撑构件简化为梁单元，压型钢板简化为壳单元，连接件用非线性弹簧单元来模拟，压型钢板和支撑构件之间建立仅能受压不能受拉的杆单元来模拟它们之间的相互作用，将有限元计算结果和试验结果进行了对比，两者吻合较好。
　　 连接件是蒙皮体中的重要组成部分，它影响着蒙皮体的抗剪性能。通过建立多个单跨蒙皮体的有限元模型，探讨了抗剪连接件的间距、板缝连接件的间距以及垂直于板肋方向边界和支撑构件间的连接形式对单跨蒙皮体抗剪性能的影响。对于抗剪连接件，改变间距对蒙皮板的屈曲荷载影响不大，但随着间距的增大，剪切刚度逐渐变小；对于板缝连接件，改变间距对蒙皮板的屈曲荷载影响不大，但随着间距的增大，剪切刚度逐渐变小，较之其它类型的连接件，由于板缝连接件的极限荷载较低，更容易发生破坏；垂直于板肋方向边界和支撑构件间的连接形式对蒙皮板的屈曲荷载和剪切刚度影响较大，连接越强屈曲荷载越大，剪切刚度越大，在同样的连接数量前提下，波谷连接的剪切刚度远远大于波峰连接的刚度。结合试验和有限元分析，通过引入边界影响系数β，给出了垂直于板肋方向边界和支撑构件在多种连接形式下单跨蒙皮板整体剪切屈曲荷载的表达式，并给出了建议的边界影响系数β。
　　 在第二部分中，所做的工作和相应的结果如下：
　　 利用能量法推导了多跨蒙皮板的整体剪切屈曲荷载。对单跨蒙皮板和多跨蒙皮板进行了有限元计算，将两者的变形图、荷载位移曲线、连接件的力和剪切刚度进行了比较，在连接条件相同的情况下，两者的剪切刚度相差很小，在荷载相同的情况下，连接件力的大小和分布规律相似。对九种不同的板和檩条连接形式的两跨蒙皮体进行了有限元计算，板和檩条的连接形式对多跨蒙皮体的抗剪性能影响很大。连接越强，剪切刚度越大，而且剪切刚度主要受板和边缘檩条连接形式的影响，板和中间檩条的连接形式对剪切刚度影响很小。边界越强屈曲荷载越大，边界不同屈曲波的形状也不同。另外，对现有规程中多跨蒙皮板整体剪切屈曲荷载公式的安全度给予评价，并给出了板和檩条在多种连接形式下多跨蒙皮板整体剪切屈曲荷载的建议表达式。