常温及火灾下蜂窝梁腹板屈曲承载力计算方法

采用斜压柱理论模型及有限元方法,研究了常温及火灾下圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板受剪屈曲性能和受剪屈曲承载力计算方法。孔间腹板S/d₀和d₀/t_w的取值范围分别为1.4~2.0和41.4~80.7。在参数分析的基础上,对斜压柱的有效宽度及压力进行修正,用于计算孔间腹板的屈曲承载力;并提出了等效矩形理论,用于计算孔洞截面的受剪屈服承载力。蜂窝梁受剪承载力为孔间腹板屈曲承载力和孔洞截面受剪屈服承载力的较小值。采用修正的斜压柱理论模型和等效矩形理论得到的圆角多边形孔蜂窝梁受剪承载力稍小于有限元结果,比值在0.856~0.978之间。采用修正的斜压柱模型,并按照规范BS5950计算斜压柱屈曲应力,反算火灾下蜂窝梁孔间腹板屈曲温度,得到的火灾下圆角多边形孔蜂窝梁的孔间腹板屈曲温度仅稍低于有限元结果,偏差为0.17%~6.28%。     

蜂窝梁抗剪性能分析与计算

该文对不同参数下的腹板开孔蜂窝梁抗剪性能进行分析。以试验为基础,基于有限元软件建立合理的计算模型,对不同孔型,相同孔型不同开孔率、不同翼缘尺寸的蜂窝梁进行计算,得出不同参数下蜂窝梁抗剪承载力并分析比较。结果表明:在相同开孔率及开孔数目的情况下,圆形孔蜂窝梁的抗剪极限承载力要高于六边形和矩形孔蜂窝梁;蜂窝梁翼缘宽度变化对抗剪贡献影响不大,翼缘厚度变化对其影响较大;分析发现蜂窝梁抗剪承载力受翼缘厚度、开孔率和孔型变化影响较大,给出了考虑翼缘抗剪贡献和开孔率影响的抗剪承载力简化计算公式;通过分析不同剪跨比蜂窝梁受力性能,给出弯-剪相关公式。     

设置横向加劲肋的正六边形孔蜂窝钢梁滞回性能研究

为避免蜂窝构件腹板局部屈曲造成结构失效问题,设置横向加劲肋对正六边形孔蜂窝钢梁滞回性能影响应重点研究。该文采用试验和有限元分析方法,研究在往复荷载作用下蜂窝钢梁的破坏模式、局部稳定和滞回性能。试验试件为2根孔间墩板均设置横向加劲肋且开孔率相同但腹板高厚比不同的蜂窝钢梁,并与参数相同的2根无加劲肋蜂窝钢梁相对比。结果表明,在低周往复荷载作用下,孔间墩板均设置横向加劲肋的试件,墩板受到横向加劲肋平面外约束从而减小腹板局部屈曲的影响,破坏主要发生在孔角位置,与无加劲肋的蜂窝钢梁试件相比,设置横向加劲肋试件的滞回性能明显提高。通过分析可知,横向加劲肋布置位置不同,蜂窝梁的破坏形态发生改变,对其滞回性能有较大影响,合理的加劲肋布置位置可有效提高蜂窝钢梁的滞回性能。     

基于势能原理的双轴对称工字梁弹性侧向屈曲研究

该文利用能量方法对考虑腹板畸变的工字梁侧向畸变屈曲、约束畸变屈曲问题进行了初步研究。由于现有的侧向畸变屈曲势能表达式均不能考虑横向分布荷载作用情况,该文首先推导了双轴对称工字梁侧向屈曲总势能一般表达式。该表达式在不考虑腹板畸变时,与经典侧扭屈曲势能表达式等价;在考虑腹板畸变时,可适用于端弯矩、横向集中力及横向分布荷载作用情况。根据所提出的势能表达式并通过合理简化,推导出多跨连续组合梁负弯矩区约束畸变屈曲计算表达式,相应的简化条件及公式均与有限元分析结果进行了比较,验证了合理性。研究成果具有理论和实际意义,为后续侧向畸变屈曲实用设计方法研究提供基础。     

孔洞参数对钢筋混凝土开孔梁受力性能的影响

基于ABAQUS的混凝土损伤塑性模型的有限元建模可以较好地模拟钢筋混凝土开孔梁整个受力过程,该文建立一批开孔梁试件有限元模型。通过对开孔梁的受力性能进行参数化分析,探讨孔长、孔高、孔洞位置对开孔梁的极限承载力和刚度的影响,对孔洞的设置提出了一些有用的建议。     

钢梁腹板弹塑性屈曲强度的试验研究

对工字钢梁腹板在弯曲应力作用下的弹塑性屈曲承载能力进行了试验研究,并与理论计算结果进行了对比分析,同时,研究了纵向加劲肋对腹板屈曲系数的影响。提出了腹板高厚比的合理取值,对现行国家标准《钢结构设计规范》(GBJ17)的有关条款进行了讨论。     

波纹腹板H型钢梁受压翼缘局部稳定研究

根据波纹腹板梁翼缘局部失稳的特性提出波纹腹板H型钢梁翼缘局部失稳的理论计算模型,指出波纹腹板梁翼缘失稳相当于两加载边简支,一非加载边弹性转动约束的弹性板。由理论推导得到了翼缘局部弹性屈曲应力计算公式,利用有限元分析验证了该理论模型的有效性。同时探讨了受拉翼缘、梁的长度以及腹板参数变化对受压翼缘局部失稳的影响,最后根据有限元计算结果给出了可供工程设计参考的翼缘宽厚比限值计算公式。     

六边形孔蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪性能分析

该文对不同参数下的正六边形孔蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪性能进行了试验与有限元分析研究。以试验研究为基础,基于有限元软件ABAQUS 建立非线性有限元模型,对不同开孔率、不同翼缘宽度和厚度的蜂窝梁和蜂窝组合梁进行分析比较,发现蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪承载力大小与翼缘厚度、开孔率和连接程度均有关。结果表明:蜂窝梁翼缘厚度变化对其抗剪承载力影响较大,而蜂窝组合梁中翼缘厚度的变化对其抗剪性能影响相对较小;混凝土板提高了蜂窝梁的抗剪极限承载能力;最后,给出蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪计算公式。     

格构腹板增强型泡沫复合材料夹层结构腹板平面内屈曲分析

利用有限元数值模拟研究了在平面内荷载作用下,腹板间距、腹板高度、泡沫芯材弹性模量等因素对格构腹板增强型泡沫夹层结构腹板屈曲性能的影响。结合有限元分析结果提出半波数基床系数,采用文克尔地基模型模拟泡沫芯材对格构腹板增强型泡沫复合材料夹层结构腹板的弹性支撑作用,基于Ritz法提出腹板平面内荷载作用下屈曲荷载理论分析方法和计算公式。分析表明:泡沫芯材的存在使得腹板的屈曲特性不同于无芯材时屈曲特性,随腹板高度增加屈曲荷载表现出平稳增加的趋势,屈曲形态呈现出多峰特征的褶皱;腹板间距和高度较大时,泡沫芯材的支撑对腹板的稳定起到主导作用;理论方法分析结果、有限元结果以及试验数据总体上一致。     

腹板屈曲约束钢连梁抗震性能研究

腹板屈曲约束钢连梁通过在钢连梁腹板两侧设置约束板,保证钢连梁在往复剪切荷载作用下腹板剪切屈服后承载力能够持续强化,相比在腹板上设置加劲肋的传统方式,腹板屈曲约束钢连梁的腹板在接近钢材极限剪应变前不会发生面外屈曲,具有优越的耗能能力。通过5个腹板屈曲约束钢连梁的拟静力试验,研究了不同约束方式对钢连梁抗震性能的影响。试验结果表明:所有试件均实现了剪切屈服及承载力强化,破坏模式主要为翼缘、端板焊缝断裂和约束板弯曲破坏。钢连梁的超强系数平均值为1.38,大于《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的最低要求1.1,其中采用50 mm厚的钢筋混凝土约束板和25 mm厚的木板约束板的试件的超强系数超过了1.5。通过建立有限元分析模型进行试验对比验证和参数分析,提出了约束板最小厚度的建议取值,可为实际工程设计提供参考。     

混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁纯钢梁段的受压翼缘局部稳定性分析

为解决实际工程中遇到的混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁受压翼缘局部稳定性问题,基于薄板理论,对组合梁混凝土翼板开洞处纯钢梁段受压翼缘的临界屈曲应力计算公式进行了推导,考虑了弯矩梯度的影响,并用通用有限元软件ANSYS验证了公式的准确性。根据临界屈曲应力计算公式得出了合理的受压翼缘宽厚比限值,与现行《钢结构设计规范》中的规定进行了对比。对比结果表明:将《钢结构设计规范》中的宽厚比限值直接用于组合梁开洞处的纯钢梁段,显得过于保守。最后通过算例分析,进一步验证了该文的结论。     

A firefly algorithm for optimum design of new-generation beams

This research addresses the minimum weight design of new-generation steel beams with sinusoidal openings using a metaheuristic search technique, namely the firefly method. The proposed algorithm is also used to compare the optimum design results of sinusoidal web-expanded beams with steel castellated and cellular beams. Optimum design problems of all beams are formulated according to the design limitations stipulated by the Steel Construction Institute. The design methods adopted in these publications are consistent with BS 5950 specifications. The formulation of the design problem considering the above-mentioned limitations turns out to be a discrete programming problem. The design algorithms based on the technique select the optimum universal beam sections, dimensional properties of sinusoidal, hexagonal and circular holes, and the total number of openings along the beam as design variables. Furthermore, this selection is also carried out such that the behavioural limitations are satisfied. Numerical examples are presented, where the suggested algorithm is implemented to achieve the minimum weight design of these beams subjected to loading combinations.     

腹板开洞的工形截面拱的平面内特征值屈曲性能

用有限元模型分析了受径向均布荷载的腹板开洞的工形截面圆弧拱的平面内特征值屈曲性能。选用板壳单元构建了有限元模型,得出了较准确的特征值屈曲荷载和屈曲模态,获得了三种典型的特征值屈曲模态;通过选用一种代表开洞拱效率的特征值屈曲荷载参数,研究了腹板孔洞的半径和间距的优化尺寸。通过一系列拱的数值分析,给出了拱的矢跨比、长细比、孔洞的半径和间距对特征值屈曲荷载的影响,并把这些参数的影响归结为两个参数k和α,给出了这种腹板开洞拱的特征值屈曲荷载的简化计算公式。     

Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定性能与设计方法研究

为研究Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能以及完善规范中关于此类构件的设计方法,进行了6根集中荷载作用下Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能试验,测量了试件的初始几何缺陷和截面残余应力。试验结果表明：当单伸臂梁整体失稳的控制梁段位于简支跨时,单伸臂梁的整体稳定承载力随伸臂长度比的增大而减小,截面高宽比较伸臂长度比对单伸臂梁整体稳定承载力的影响更大。在试验基础上,运用有限元程序创建考虑初始几何缺陷和残余应力的有限元模型对试验进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好;基于试验验证的有限元模型,分析荷载形式、荷载比例、简支跨长度、伸臂跨长度和截面高宽比等因素对Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定承载力的影响规律。基于特征值屈曲分析结果,回归出单伸臂梁的弹性屈曲临界弯矩计算公式,并通过对试验结果和有限元参数分析结果的回归提出了Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的极限弯矩计算公式。     

翼缘削弱型钢梁的整体稳定性分析

针对钢框架梁翼缘削弱式(RBS)节点梁的整体稳定性能进行了分析。采用能量法研究了不同荷载作用下RBS 梁的整体稳定性能, 将梁翼缘削弱段刚度采用等效折减刚度进行分析, 得到RBS 梁侧向弯扭失稳的临界荷载, 并与等截面梁临界荷载进行对比。讨论了不同削弱参数下RBS 梁的临界弯矩变化规律, 并通过有限元数值计算验证了削弱参数对RBS 梁弯扭失稳临界弯矩的影响。研究结果表明:RBS 梁削弱参数整体对侧向弯扭失稳影响明显, 其临界弯矩值较同尺寸的普通钢梁明显降低, 工程设计中应考虑其不利影响;RBS随梁跨度的增加, 削弱段局部刚度对整段梁的刚度影响作用减弱, 当RBS梁的高跨比较小时, 可以忽略削弱参数对临界弯矩的影响。     

带加劲肋腹板开洞组合梁极限承载力理论研究

基于空腹桁架破坏机理,根据腹板开洞组合梁在极限状态下的洞口区域塑性应力分布建立洞口4个次弯矩函数。提出了一种带加劲肋腹板开洞组合梁极限承载力的计算方法,该方法考虑了洞口上方混凝土板对组合梁的竖向抗剪承载力的贡献。计算结果表明:洞口设置加劲板能有效的提高腹板开洞组合梁的抗弯和竖向抗剪承载力,而且竖向抗剪承载力随着加劲板面积的增大而增大,混凝土板对组合梁的抗剪承载力有较大的贡献。并与试验和有限元结果进行了比较,结果吻合较好,算例验证了该计算方法的准确性和可靠性。     

考虑弹性支撑时蜂窝芯剪切屈曲强度的插值求解方法

结合最小余能原理和薄板剪切屈曲失稳理论,给出了蜂窝芯等效剪切屈曲强度的理论表达式。将胞壁等效为受弹性支撑的梁,通过对固支和简支条件下的屈曲强度进行插值求解实际胞壁间为弹性支撑时的剪切屈曲强度。然后,利用三点短梁弯曲试验测量常用Nomex蜂窝芯的剪切屈曲强度,并与弹性支撑下的理论解进行对比,试验结果与理论解吻合较好,验证了理论方法的有效性。最后,讨论了剪切屈曲强度的各向异性及蜂窝高度对剪切屈曲强度的影响。结果表明,剪切屈曲强度的各向异性程度与蜂窝高度无关,但随着蜂窝高度的增加,蜂窝芯的纵向和横向剪切屈曲强度均逐渐减少,减小幅度逐渐减缓。     

腹板开洞钢-混凝土连续组合梁塑性铰及内力重分布试验研究

为研究腹板开洞连续组合梁的受力性能,对5根腹板开洞连续组合梁和1根腹板无洞连续组合梁进行了试验对比研究。研究的重点为腹板开洞连续组合梁的塑性铰特性及内力重分布现象。试验结果表明:腹板开洞降低了连续组合梁的刚度和承载能力,洞口区域不再符合平截面假定。5根腹板开洞连续组合梁的破坏过程均为在洞口处形成剪力铰并最终形成破坏机构从而丧失承载能力。与腹板无洞连续组合梁相比,腹板开洞连续组合梁在按弹性计算时就已经存在“调幅”现象。另外,试验表明连续组合梁开洞后不仅存在弯矩重分布而且在带洞跨还存在混凝土板和钢梁之间的剪力重分布现象。