波纹钢板的几种应用及其研究进展

　　摘要：波纹钢板因其面外刚度大及抗剪切屈曲承载能力高，在工程结构中被广泛应用;根据轧制波纹的不同，波纹钢板可分为正弦形、梯形、折线形和矩形;本文从波纹腹板钢梁、波纹钢板剪力墙、波纹钢板阻尼器三个方面介绍波纹钢板的应用及其研究进展。

　　关键词：波纹钢板;波纹钢板剪力墙;研究进展

　　1 引言

　　波纹钢板的轧制技术创始于1784年，并最先在欧洲开始应用。直到1890年，随着钢铁制造行业的迅速发展，钢板的供应得到了保障，波纹钢板的使用才迅速扩大。波纹钢板以其独有的特点，不断地被专家和学者们认可，并在工程领域得到了广泛的应用。

　　2 波纹钢板的介绍

　　波纹钢板是指将一定厚度的热乳钢板或钢带按照规定的尺寸经波形轧制和冷弯加工而成的波纹圆管或弧形波纹钢板，最初主要应用于航天飞行器的制造领域。波纹钢板由于独特的“手风琴效应”，使其具有较大的面外刚度，既保留平钢板的优点又克服平钢板的缺点，显著减小钢板的面外变形，提高钢板的剪切屈服强度。近年来，波纹钢板凭借以上出众的优点被广泛用于桥梁、 船舶、 筒仓和钢结构等领域。

　　波纹钢板常见的波形有正弦形、梯形、折线形和矩形，采用较多的是正弦形和梯形两种波形。下面就从波纹腹板钢梁、波纹钢板剪力墙、波纹钢板阻尼器三个方面介绍波纹钢板的应用及其研究进展。

　　3 纹钢板的几种应用

　　3.1 波纹腹板钢梁

　　波纹腹板钢梁因其腹板选用波纹钢板，在不用设置加劲肋的前提下，腹板便能以较小的厚度获取较大的面外刚度和抗剪切屈曲承载力。与传统的平腹板相比，波纹腹板的厚度减小，用钢量降低，且能够避免因为几何缺陷引起的过早屈曲现象。按照腹板波形的不同，常见的波纹腹板钢梁可以分为正弦波纹腹板钢梁和梯形波纹腹板钢梁。

　　波纹腹板梁最早出现在欧洲，上世纪60年代，瑞典学者首次实现了波纹腹板梁在中小跨度轻屋顶上的应用。70年代中期，日本学者实现了在吊车梁中应用波纹腹板钢梁[1]。在接下来的几十年里，国外学者不断对波纹腹板钢梁进行探索，分別从波纹钢梁受弯变形、抗剪切屈服承载力、间断施焊的可靠性、梁截面的参数、波纹钢板的参数、不同的加载方式、翼缘的附加弯矩等方面探究其力学性能。波纹腹板钢梁在国内研究开始较晚， 陈吉娜等在2008年对波纹钢腹板梁进行有限元模拟，分别研究其抗弯屈曲、抗剪屈曲和抗扭屈曲的破坏特征[2]。在对波纹钢板梁的研究中，国内学者分别从梁的抵抗屈曲变形、集中荷载和分布荷载下的受力特点、抵抗疲劳等方面进行研究，并得出相应的结论。

　　3.2 波纹钢板剪力墙

　　波纹钢板剪力墙因其独特的构造特点，使得该类剪力墙拥有较大的刚度，减小了平面外变形，提高了剪力墙的承载能力和屈曲荷载。按照波形的种类来划分，常见的波纹钢板剪力墙有梯形波纹钢板剪力墙和正弦波纹钢板剪力墙。根据钢板波纹放置方向的不同，又可分为水平波纹钢板剪力墙、竖向波纹钢板剪力墙、斜向波纹钢板剪力墙。

　　平钢板剪力墙研发较早，其发展和应用已经到达相对成熟的阶段。近年来，有学者研究发现，用波形钢板代替平钢板制成的剪力墙，其力学特性有较为明显的提升，这种新的突破使“波纹钢板剪力墙“成为近几年的热门话题[3]。Cheng Yu等针对波形钢板剪力墙在循环荷载作用下延性相对较低的问题，在剪力墙上开设合适的缝，制作了一种开缝波纹钢板剪力墙[4]。李峰等针对波纹钢板的放置方向，在以往的水平放置和竖向放置的基础上提出了一种倾斜放置的钢板剪力墙，并对其力学性能进行有限元分析[5]。

　　3.3 波纹钢板阻尼器

　　金属阻尼器属于位移型阻尼器，因其以良好的滞回性能和简单的构造成为结构减震技术的有效方法之一。剪切钢板阻尼器中耗能钢板是其主要的耗能构件，传统的耗能钢板以平钢板为主，外面刚度较小，在外界荷载作用下，容易发生严重的屈曲变形和扭转失稳，导致阻尼器滞回性能下降。

　　为了解决以上问题，王威等研发了一种新型波形软钢阻尼器，中间由两块波纹钢板和两块矩形翼缘构成，通过焊接的方式，将翼缘、波纹钢板、上下连接板两两连接在一起，经过有限元建模并对模型进行分析可知，该新型波纹软钢阻尼器的滞回性能良好[6]。石文龙等将“波纹“的概念引入剪切型阻尼器中，提出一种竖向波纹剪切型阻尼器，通过制作模型进行试验发现，该阻尼器具有稳定的滞回性能和良好的塑性变形能力，是一种理想的消能减震装置[7]。

　　4 结语

　　波纹钢板的研发虽然起步较晚，但目前世界上许多国家已经将波纹钢板应用于实际工程中，例如法国Cognac桥和日本新开桥。波纹钢板在结构中的应用也存在一些缺点，例如：波形钢板的制作、维护、运输、储存成本较高;竖向波纹焊接面积比平钢板焊接面积大，焊接残余应力问题显著;波纹钢腹板箱梁断面的抗扭刚度和抗畸变刚度有所下降;波纹钢腹板的连接方式较为复杂等。

　　参考文献

　　[1]Easley J T . Buckling Formulas for Corrugated Metal Shear Diaphragms[J]. Journal of the Structural Division， 1975， 101(7)：1403-1417.

　　[2]陈吉娜. 波纹钢腹板梁稳定性的研究[D]. 石家庄铁道学院， 2009.Emami F ， Mofid M ， Vafai A . Experimental study on cyclic behavior of trapezoidally corrugated steel shear walls[J]. Engineering Structures， 2013， 48(48)：750-762.

　　[3]Jing Q ， Zhao Q ， Cheng Y ， et al. Experimental Studies on Cyclic Behavior of Corrugated Steel Plate Shear Walls[J]. Journal of Structural Engineering， 2018， 144(11)：04018200-.

　　[4]Yu C ， Zhang W ， Yu G ， et al. Cold-Formed Steel Shear Wall Using Corrugated Steel Sheathing with Slits[J]. Journal of Structural Engineering， 2018， 144(8)：04018111.1-04018111.11.

　　[5]李峰， 薛港， 问晓朋，等. 斜置单层折板钢板剪力墙的屈曲分析[J]. 水利与建筑工程学报， 2011， 9(4)：4.

　　[6]王威， 王俊， 苏三庆，等. 一种新型软钢阻尼器的设计及数值模拟[J]. 防灾减灾工程学报， 2020， 40(3)：7.

　　[7]石文龙、张浩波、周东洋. 竖向波纹剪切型阻尼器力学性能试验研究[J]. 世界地震工程， 2020， 36(4)：9.

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