高强度钢梁抗剪性能试验研究

Nowadays, steel grade with nominal yield stress greater than 420MPa is not included in relevant highway steel bridge design specification in China. To complete the design system of high strength steel bridge, this project focus on shear behavior and shear resistance design method study for high strength steel beam, which is fabricated by high strength steel produced in China. Through experimental test, theoretical study and numerical analysis for high strength steel beam, it is analyzed shear buckling failure mode, clarified affection rules for ultimate shear capacity by key parameters, proposed shear resistance design suggestion and established shear design method for high strength steel bridge. It is comparatively discussed the steel bridge design method by adopting tradition steel grade and high strength steel grade, respectively. Expected results in this proposal supply theory basis and technical support for construction of high strength steel bridge in China, and also promotes involving high strength steel in relative Chinese highway steel bridge design code.

目前，名义屈服强度超过420MPa的桥梁钢尚未纳入我国公路钢桥设计规范，为了完善高强度钢桥的设计体系，本项目针对国产高强度钢，对高强度钢梁的抗剪性能与设计方法进行系统研究。通过对高强度钢梁开展系列模型试验、理论分析和数值模拟研究，系统分析高强度钢梁的剪切屈曲破坏形态，提出高强度钢梁抗剪极限承载能力的计算公式，分析关键参数对抗剪极限承载能力的影响规律，提出满足受力要求的抗剪构造设计准则，建立高强度钢桥的抗剪设计方法，探讨采用传统强度与高强度钢种时钢桥抗剪设计方法异同。本项目研究成果不仅对高强度钢桥在我国的推广应用提供了理论依据和关键技术支撑，而且为将高强度钢纳入我国公路钢桥设计规范起到了积极地推动作用。

高强度、高性能钢桥是新材料、新结构、新设计理念的有机结合，具有可持续工程结构的特性，符合桥梁性能化设计的发展趋势，将会成为新世纪桥梁创新设计的重要方向。本项目以采用国产高强度钢制造的焊接工字钢梁为研究对象，采用试验、理论研究和数值模拟相结合的研究手段，对高强度工字钢梁的抗剪性能与设计方法进行系统研究。在试验研究方面，完成了9片高强度钢梁的抗剪性能试验研究。在数值研究方面，建立高精度数值模型，并基于试验结果校核，分析了腹板高厚比、剪跨比、加劲肋和翼缘约束效应等关键参数对高强度腹板抗剪极限承载能力的影响规律。在理论分析方面，分析了高强度腹板剪切破坏机理，提出了高强腹板的弹性屈曲强度和屈曲后强度计算公式。本项目主要研究结果为：（1）高强度工字钢梁的腹板在弹性剪切屈曲后，均形成了拉力带，充分发展了的屈曲后强度，最终形成框架机构。（2）工字钢梁腹板剪切破坏的机理有多种假定，基于试验研究，确定了高强度工字钢梁腹板的拉力带分布形式与破坏框架理论模型，为高强度工字钢梁的理论分析奠定了基础。（3）试验与数值分析表明，翼缘相对腹板刚度、加劲肋相对腹板刚度以及端加劲肋形式可提供了更强的剪切抗力，理论计算时应计入其对腹板的约束效应。（4）随着试验梁剪跨比的增大，试验梁的腹板屈曲后强度均充分发展，但试验梁在弹性屈曲后的腹板面外变形明显减小，仅在临近剪切极限强度时腹板面外变形呈不收敛增长，高强度腹板设计时应兼顾腹板面外屈曲变形的控制与腹板屈曲后强度的有限利用。（5）基于高强腹板的剪切失效模型与既有研究成果，提出了高强腹板的弹性屈曲强度与屈曲后强度计算公式，将理论计算结果与试验结果进行对比，验证了理论模型与计算公式正确性。基于本项目研究成果，后期将继续探索高强度工字钢梁腹板屈曲后强度的合理利用，完善高强度钢板梁桥的设计技术体系，积极推动长寿命、可持续的高性能钢桥的工程建设。