钢桥塔典型开孔板件的力学性能及其补强方法研究

钢板开孔将对其力学性能产生不可忽略的影响，必要时需要采取孔洞补强措施以满足使用和安全要求。钢桥塔板件开孔有其自身特点，目前对于钢桥塔典型开孔板件的力学性能以及常用补强方法的补强效果尚不明确，国内规范条文也无相应规定。本项目以开长圆孔钢板和开连续椭圆孔钢板这两类典型的钢桥塔开孔板为对象，采用试验研究和数值模拟相结合的方法，围绕应力集中、弹性屈曲以及弹塑性屈曲等关键力学性能开展研究，得到开孔参数和补强参数对不同类型开孔板的定量影响规律，明确各种常用孔洞补强方法的补强效果及其最优适用范围；进一步以解析推导为基础，数值拟合为辅助，试验数据为验证，导出两类开孔板件在补强前后的关键力学性能指标的计算公式。研究成果可为制定、完善相关的规范条文提供科学依据，并用于指导工程设计与施工，对于确保结构安全、提高工程质量具有重要的理论意义和工程实用价值，有利于促进我国钢桥塔技术的进一步发展。

本项目针对钢桥塔中的两类典型开孔板件（即人员检修通行用的开长圆孔板和拉索锚固区的开连续椭圆孔板）的力学性能及其孔洞补强方法开展研究，主要研究内容和结论包括以下方面：.(1) .对127块开孔板件（包括未补强板和补强板）进行了面内受压试验。试验采用自行设计的加载装置，以同时满足板件四边面外简支约束条件和板件面内单轴均匀压缩加载条件。结果发现：长圆孔最大应力集中出现在圆弧与直线段相交处，连续椭圆孔最大应力集中出现在椭圆短轴端点；弹塑性受压极限强度均随开孔率增大而显著降低，且当板件宽厚比较小时（即厚板）的降低幅度更为明显；孔边围板、贴板、加劲补强方法都有助于降低孔边应力集中系数和提高弹塑性受压极限强度，其对受压强度的提高效果受板件宽厚比和开孔率的影响较大。.(2) .分别采用柯西积分方法和最小二乘边界配点法对开长圆孔和开任意多个椭圆孔无限大平面的孔边应力集中系数进行了解析推导，算例分析结果与有限元解吻合良好；进一步对有限大板进行数值分析，并引入板宽修正系数，拟合得到了两类有限大开孔板的SCF计算公式。采用塑性铰线法对两类开孔板件的弹塑性极限强度进行了解析推导，确定了开长圆孔板和开椭圆孔板的合理塑性铰线位置，并针对长宽比较大的板件提出了等效长宽比概念及其取值公式。.(3) .采用ANSYS软件建立开孔板试件的有限元模型并开展数值模拟，有限元结果与试验数据吻合良好。在此基础上对两类未补强开孔板开展了一系列的参数化分析，并引入极限强度提高系数来表征和量化补强效果。结果表明：当板件长宽比大于2时，应力集中系数和受压极限强度受长宽比影响很小，但随着开孔率增大而呈线性增大（应力集中系数）或降低（受压极限强度）；当宽厚比小于40时，受压极限强度不因宽厚比不同而改变；各种补强方式下的极限强度提高系数与板件长宽比无关，而是主要受板件开孔率和补强肋厚度的影响。在补强肋高厚比固定的情况下，随着补强肋厚度不断增大，极限强度提高系数呈线性增长，随后则不再变化。最终通过数值拟合，提出了补强开孔板极限强度提高系数的计算公式，可用于实际工程中的开孔板补强设计。.项目研究成果为制定、完善相关的规范条文提供了科学依据，并可用于指导工程设计与施工，对于确保结构安全、提高工程质量具有重要的理论意义和工程实用价值。