基于板梁理论的集中荷载下带侧向弹性支撑矩形钢管混凝土翼缘工字形梁弯扭屈曲分析学习体会

文献概况与技术背景

张文福等（2021）发表于《建筑钢结构进展》第23卷第6期的这篇论文，基于板-梁理论和能量变分原理，研究了集中荷载下跨中布置侧向弹性支撑的矩形钢管混凝土翼缘工字形简支梁的弯扭屈曲问题。该研究由东北石油大学土木建筑工程学院与南京工程学院建筑工程学院合作完成，获国家自然科学基金（51178087、51578120）资助。矩形钢管混凝土翼缘工字形梁是一种新型组合截面形式，其翼缘采用矩形钢管混凝土，腹板采用钢板，具有优异的抗弯和抗扭性能，在桥梁和建筑结构中具有广阔的应用前景。

理论模型与计算方法

研究基于板-梁理论和能量变分原理建立弯扭屈曲总势能方程，位移和转角模态试函数选用6项三角级数形式。引入无量纲参数并依据势能驻值原理，获得弯扭屈曲无量纲临界弯矩解析解。采用1stOpt数学优化分析软件拟合无量纲临界弯矩计算公式，并与ANSYS有限元解进行对比，误差在5%以内。

截面形式与焊接构造分析

矩形钢管混凝土翼缘工字形梁的截面构造涉及多种焊接连接，焊接质量直接影响结构的整体性能。从焊接工程角度，需要关注以下关键节点：

矩形钢管混凝土翼缘的制造过程中，钢管的密封焊接是关键环节。钢管内混凝土浇筑前，必须确保钢管焊缝的气密性，防止混凝土浆液渗漏。建议采用以下质量控制措施：

1. 钢管焊缝采用100% RT检测，确保无裂纹、未熔合等缺陷；
2. 焊接完成后进行气密性试验，检测压力不低于0.5MPa；
3. 混凝土浇筑前进行最终检查，确保钢管无损伤、焊缝无渗漏；
4. 浇筑过程中控制混凝土流动性，避免对焊缝产生过大压力。

弯扭屈曲机理与影响因素

弯扭屈曲是工字形截面梁在受弯时的典型失稳模式，侧向弹性支撑的布置对弯扭屈曲承载力有显著影响。研究结果表明：

• 侧向弹性支撑刚度越大，弯扭屈曲临界弯矩越高；
• 支撑位置对弯扭屈曲模式有重要影响，跨中支撑效果最佳；
• 矩形钢管混凝土翼缘的抗扭刚度显著高于普通钢翼缘，有效提高了弯扭屈曲承载力；
• 集中荷载位置对弯扭屈曲影响显著，跨中荷载最不利。

从结构稳定性角度分析，矩形钢管混凝土翼缘的抗扭性能优异，主要得益于钢管的封闭截面特性。封闭截面的抗扭刚度远高于开口截面，这是矩形钢管混凝土翼缘工字形梁相对于普通工字形梁的主要优势。

工程应用建议

基于该研究的理论分析，在矩形钢管混凝土翼缘工字形梁设计中建议：

1. 合理选择侧向弹性支撑刚度，确保支撑有效发挥作用；
2. 优先采用跨中支撑方案，提高弯扭屈曲承载力；
3. 严格控制焊接质量，特别是矩形钢管与腹板的连接焊缝；
4. 对钢管密封焊缝进行气密性检测，确保混凝土浇筑质量；
5. 在重要工程中，建议采用有限元分析进行详细校核，确保结构安全。

该文献通过理论分析和数值验证，建立了矩形钢管混凝土翼缘工字形梁弯扭屈曲的解析计算方法，拟合的无量纲临界弯矩计算公式精度可靠，为该类新型组合截面的工程设计提供了理论依据和实用工具，对推动矩形钢管混凝土结构在工程中的应用具有积极意义。