受轴压、双向弯曲和扭矩作用的两端简支工形截面压弯构件的稳定设计

在我国现行的《钢结构设计规范》GB 50017-2003[1]中,对于受弯和压弯构件的稳定设计,没有涉及扭矩对构件的作用,而在《冷弯薄壁型钢技术规范》GB 50018-2002中,既有受扭的单向和双向受弯构件,也有受扭的单向弯曲压弯构件的稳定计算方法。本文给出了受轴压、双向弯矩和扭矩作用的双轴对称,两端简支工形截面压弯构件的理论分析和稳定设计方法。建议将此方法列入准备修订的我国钢结构设计规范。现在,已经有许多外国学者对于受扭的钢构件作了研究。本文介绍了几种涉及扭矩作用的受弯和压弯构件的最新研究成果。将这些最新研究成果概括起来,可以作为修订我国钢结构设计规范的参考材料。为此,本文介绍了德国学者Lindner,J.和Glitsch,T.[2]对于受扭的厚实和非厚实梁,通过理论分析和试验研究,给出的梁的稳定设计建议;加拿大学者Ashkinadze,K.[3]修正了两端简支的宽翼缘工形截面受扭梁的稳定设计方法,将其扩展到受扭压弯构件的稳定设计;德国学者Kindmann,R.和Wolf,C.[4]作了两端简支工形和U形截面梁的试验研究;日本学者北田俊行等[5,6]作了两端简支受扭箱截面压弯构件的理论分析和试验研究。     

中国《钢结构设计规范》的发展历程

回顾了我国钢结构设计规范的编制和历次修改的过程,并对若干重要内容在历次版本规范中的发展进行概述,包括设计方法、钢结构材料、结构分析、疲劳验算、受弯构件的整体稳定、轴压构件的弯曲稳定、轴压构件的弯扭稳定、压弯构件的平面内稳定、压弯构件的平面外稳定、受弯构件腹板的局部稳定和屈曲后强度、受压构件腹板的局部稳定、受压构件的计算长度、节点及其计算、钢管结构和钢与混凝土组合梁等内容。分析表明：我国规范与国外规范相比已毫不逊色,且具有明显的特色。同时还分析了我国规范取得了进展的原因,对我国规范的进一步发展作了展望,对主要修订内容提出了建议。参13     

钢构件屈曲后强度设计适用方法

文章分析了钢结构设计中板件屈曲后强度应用设计问题,分别阐述了普通钢结构、冷弯薄壁结构中轴压、拉压弯、弯剪构件的有效截面计算,屈曲后强度应用适用条件和设计方法,对门式刚架轻型房屋钢结构的梁柱设计分别按受弯构件、压弯构件的强度计算和稳定验算进行了较为细致的论述,明晰了一般钢构件屈曲后强度设计的适用方法。     

铝合金结构构件的设计公式及其可靠度研究

对国产铝合金结构进行了一系列试验,包括42个材料拉伸试验、63个轴压构件试验、14个受弯构件试验和45个偏压构件试验;搜集整理了国内已有的试验结果,初步建立起铝合金结构的试验数据库。数据库中包括53条本构关系曲线、205个轴压构件试验点、38个受弯构件试验点和57个偏压构件试验点。采用有限单元法对铝合金结构构件进行了大规模的数值计算,得到了252条轴压构件失稳的稳定系数-正则化长细比曲线、480条弯曲构件弯扭失稳的整体稳定系数-正则化长细比曲线和1920条偏压构件弯曲失稳的相关曲线;并根据数值计算结果拟合出了各类构件的计算公式。最后以试验数据为基础对铝合金结构构件进行了可靠度分析,得出了国产铝合金材料的抗力分项系数,建议了其强度设计值。     

中欧钢结构设计规范受压构件稳定承载力设计方法的分析比较

主要就现行中国钢结构设计规范与欧洲钢结构设计规范中受压构件的设计规定进行比较。从轴压构件的设计方法、压弯构件的设计方法与局部稳定的构造要求等方面对两套规范进行对比分析。研究发现,我国轴压构件设计的安全性更高,压弯构件设计的安全性较低,在局部稳定的构造要求上还不够细致。建议我国提高压弯构件设计的安全性,并且按照截面类型、板件应力分布等方面细化局部稳定的构造要求。     

高强钢压弯和受弯构件计算模式不定性研究

介绍了《高强钢设计规程》(征求意见稿)中关于压弯构件和受弯构件计算的相关条款,并与我国现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》进行了比较。收集了目前高强钢压弯构件、受弯构件的试验,对试验进行了有限元模拟。在此基础上,应用有限元模型对高强钢焊接截面880组压弯构件、460组受弯构件的极限承载力进行了计算。将极限承载力的有限元计算结果和规范公式的计算值进行了比较,对高强钢焊接截面压弯构件和受弯构件的计算模式不定性做了数理统计分析,得到了高强钢压弯和受弯构件计算模式不定性的统计参数,为下一步提出高强度钢材材料设计指标提供了依据。     

剖分T型钢压杆弯扭屈曲稳定系数φ_b取值探讨

《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中梁的整体稳定系数φb计算公式比较复杂,在计算压弯构件弯扭失稳承载力时,提供了相应的简化计算公式。修订的新规范对梁的整体稳定计算做出了较大调整,但计算公式仍较为复杂。而且修订的新规范仅对工字形和H形截面构件提供了简化公式,未对T型截面构件做出说明。通过对均匀弯曲的剖分T型截面受弯构件整体稳定系数计算公式推演,结合相关文献中各种φb计算公式的分析对比,提出合理的剖分T型钢压杆弯扭屈曲稳定系数简化公式。利用简化公式计算多根剖分T型钢压杆的整体稳定承载力,并对比有限元软件ANSYS分析结果,验证简化公式的正确性。     

高强钢焊接箱形轴压构件整体稳定设计方法研究

与普通强度钢材轴压构件相比,高强钢轴压构件的整体稳定承载力受构件初始缺陷,特别是受截面残余应力的影响显著降低,其整体稳定系数明显提高。国内外现行的钢结构设计规范制定的柱子曲线均是基于普通强度钢材构件的研究,现有针对高强钢轴压构件整体稳定性能的少量研究仅针对特定强度等级钢材提出了设计建议或方法。为研究不同等级高强钢轴压构件的整体稳定设计方法,全面总结了国内外现有高强钢焊接箱形截面轴压构件的试验研究,并采用三维有限元模型模拟了试件的整体稳定性能,分析过程考虑了几何初始缺陷、残余应力以及几何和材料非线性的影响。利用验证后的数值模型进行了大量参数分析,算例包括8种钢材强度等级、6种截面尺寸以及长细比不同的构件。结果表明,高强钢焊接箱形轴压构件的整体稳定性能随强度等级提高而提高。根据数值计算结果与我国钢结构规范设计曲线的对比分析,建议强度等级为Q460、Q500、Q550、Q620、Q690、Q800钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按b类曲线进行设计,Q890和Q960的钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按a类曲线进行设计。此外,还提出了更新的柱子曲线公式。     

960 MPa高强度钢材轴压构件整体稳定性能试验研究

为研究960 MPa高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对6个焊接工字形和等边箱形截面试件进行了静力试验研究,测量了试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面残余应力分布等初始缺陷,分析了试件的失稳破坏形态,得到了整体稳定承载力,并与规范设计曲线进行了对比分析。利用试验结果验证了有限元分析模型,并进行参数分析。研究结果表明：试件的破坏模态均为整体弯曲失稳,除两个几何初始缺陷过大的试件外,其他试件的整体稳定系数试验值均明显高于规范设计值;参数分析结果表明,960 MPa钢材焊接截面轴压构件的整体稳定系数较普通钢材显著提高,建议采用GB 50017-2003中的a类柱子曲线设计此类轴压构件,同时拟合了960 MPa高强度钢材的柱子曲线公式。     

不同等级高强钢焊接工形轴压柱整体稳定性能及设计方法研究

为研究460MPa以上不同强度等级高强钢焊接工字形截面轴压柱的整体稳定性能,采用有限元分析方法,计算了国内外已公开发表(包括其他学者)的35个高强钢焊接工形试件的整体稳定承载力,并通过与试验结果对比验证了有限元模型的可靠性;利用该模型完成1280个算例的整体稳定承载力计算,包括8种钢材强度等级、8种工字形截面尺寸、对应于每种截面的10种长细比、以及绕截面强轴和弱轴失稳的2种模态,并将算例结果与现行钢结构设计规范的设计曲线进行对比分析。研究结果表明,随着钢材强度等级的提高,高强钢焊接工字形截面轴压构件绕强轴和弱轴失稳的整体稳定系数均明显提高;对于绕强轴失稳构件,建议Q460~Q550钢材的采用我国规范b类曲线,Q620~Q960钢材的采用a类曲线;对于绕弱轴失稳构件,建议Q460~Q800钢材的按b类曲线设计,Q890和Q960钢材的按a类曲线设计。此外,还提出此类构件对应不同强度等级钢材的更新柱子曲线公式,以更准确计算其整体稳定承载力。     

直接分析设计法中的受压构件等效初始缺陷研究

在GB 50017—2017《钢结构设计标准》中，仅对考虑材料弹性阶段的直接分析设计法中的构件初始缺陷取值作出了规定，对考虑材料弹塑性发展的直接分析设计法中未给出构件初始缺陷取值的具体数值。为此，基于钢结构塑性稳定理论，利用轴心受压构件稳定系数反向推导其等效初始缺陷，包括初始几何缺陷和残余应力。根据不同的截面类型和钢材牌号，给出受压构件不同的等效初始缺陷，使直接分析设计方法能够真正地应用于实际工程中。利用直接分析设计软件NIDA，建立带有初始缺陷的弯曲单元，模拟受压构件的等效初始缺陷，得到构件的稳定承载力系数，并与轴压构件稳定系数φ进行对比分析，验证了构件等效初始缺陷取值的正确性。     

压弯钢构件在循环荷载作用下的非线性弯扭屈曲

本文根据非线性有限元的基本理论,采用基于修正的拉格朗日法描述的八节点超参数壳体单元,考虑几何非线性和材料非线性,结合混合强化本构关系,编制了非线性有限元计算程序。对压弯钢构件在循环荷载作用下的弹塑性弯扭屈曲进行计算机模拟,系统分析了H形截面压弯钢构件的滞回特性,以及翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件轴压比和长细比对压弯钢构件弯扭屈曲的影响规律。通过对计算结果的比较,提出了强烈地震条件下,H形截面压弯钢构件在循环荷载作用下保持整体稳定,满足延性要求,具有较高屈曲后强度的长细比和板件宽厚比限值。     

火灾荷载作用下轴压钢构件临界应力分析

以轴压钢构件为研究对象,探讨火灾场荷载作用下结构钢材料的弹性模量、抗弯刚度、屈服强度的变化规律,且在这些材料基本参数改变的前提下分析了轴压钢构件的临界应力和临界力,最后进行实例数值分析,得出轴压钢构件在火灾高温条件下钢结构材料的弹性模量、抗弯刚度和屈服强度都急剧下降,降幅在火灾持续时间2h左右达50%以上,轴压钢构件的临界应力也快速下降,使钢构件的承载能力下降很快,导致结构破坏。因此,在钢结构设计中,必须考虑火灾高温对轴压钢构件的临界应力和临界力降低的影响。     

钢异形柱压弯组合实用计算研究

在L形截面钢柱的弯扭屈曲一般性相关方程和轴心受压实用计算研究的基础上,对L形截面钢柱压弯组合承栽力实用计算方法进行研究,化简L形截面柱弯扭屈曲一般性相关方程,考虑柱缺陷影响,用梁柱理论分析得出L形截面柱压弯组合实用设计计算公式,并通过几组L形截面柱偏心受压承栽力试验,验证了计算公式。     

Resistance of rectangular concrete-filled tubular (CFT) sections to the axial load and combined axial compression and bending

This paper describes the development of the direct strength method (DSM) for concrete-filled tubular (CFT) sections. The axial and flexural strength of CFT sections with local buckling are proposed based on previous test results. Although Eurocode4 does not allow the use of slender steel skins for CFT sections, the limit of the width-to-thickness ratio for the steel skin has recently been extended to slender sections in AISC specifications. A simple formula for the axial and flexural strength of CFT sections for the DSM is proposed to account for the local buckling of a thin steel skin and for the enhanced compressive strength of concrete from the confining effect of the steel skin. The squash load predicted by the proposed formula is compared with test results and those predicted by AISC specifications and Eurocode4. A formula for strength interactions of CFT members under combined compression and flexure is proposed and is compared with test results. The comparison confirmed that the formula for axial and flexural strength and that for strength interactions can conservatively predict the resistance of CFT columns to the axial load and combined compression and bending.     

Bending capacity of girth-welded circular steel tubes

In this paper, the buckling behavior of girth-welded circular steel tubes subjected to bending was investigated by numerical method. Finite element (FE) simulation of the girth welding process was first performed to obtain weld-induced residual stress and deformation employing sequentially coupled three-dimensional (3-D) thermo-mechanical FE formulation. Elastoplastic large-deformation analysis in which the failure mode, the ultimate moment capacity and the moment versus end-rotation behavior of girth-welded circular steel tubes under pure bending were explored incorporating weld-induced geometric imperfection and residual stress was next carried out. Results showed that the flexural behavior of girth-welded circular steel tubes always involves local buckling near the girth weld on the compression side, which significantly affects the moment versus end-rotation response.     

火灾后钢筋混凝土受弯构件抗弯承载力

研究火灾后钢筋混凝土受弯构件的抗弯承载力统一算法,分析火灾后钢筋混凝土矩形截面梁、单向板和T形截面梁的抗弯承载力。构件受火位置包括受拉区和受压区,截面配筋方式包括单筋截面和双筋截面。考虑以上因素,给出火灾后钢筋混凝土受弯构件抗弯承载力完整的计算公式,结合数值分析和试验结果验证公式的有效性。研究结果表明,提出的计算方法可以较准确地计算火灾后钢筋混凝土受弯构件的抗弯承载力。     

一种分析型钢混凝土T形柱双向压弯受力性能数值模拟方法：试验验证与极限承载力分析

为研究型钢混凝土T形柱双向压弯受力性能,提出一种基于OpenSees零长单元并考虑加载角度影响的高效数值模拟方法,采用该数值算法对已有文献有关弯曲型破坏的型钢混凝土T形柱进行全过程受力分析,以此验证该数值模拟技术的合理性。在此基础上,深入分析轴压比、加载角度、混凝土强度、型钢配钢率与强度、肢高肢厚比等变化参数对型钢混凝土T形柱极限受弯承载力的影响,并推导型钢混凝土T形柱双向受弯承载力计算公式。结果表明：在界限轴压比范围内,提高轴压比、混凝土强度、型钢配钢率、型钢强度和肢高肢厚比均能提高型钢混凝土T形柱极限受弯承载力;但当轴压比大于界限轴压比时,提高轴压比和混凝土强度反而降低其极限受弯承载力;型钢混凝土T形柱的薄弱加载方向为90°（即沿翼缘方向）;加载角度和混凝土强度对型钢混凝土T形柱的界限轴压比影响显著,当加载角度为45°时,其界限轴压比最高;提高混凝土强度会降低其界限轴压比;轴压比在0～0.4、0.4～0.9、0.9～1.4之间,型钢混凝土T形柱双向受弯承载力关系曲线分别为矩形、椭圆形和菱形。     

Interaction of bending and axial compression of stainless steel members

The paper deals with the buckling behaviour of stainless steel members with the main focus on developing design formulae for use in the latest version of the European Standard EN 1993-1-4: Eurocode 3-Design of steel structures-Part 1-4: General rules — Supplementary rules for stainless steel. Brussels; 2005.It is based on numerical simulations of single span members of various section type, which are subjected to axial compression and bending. Both flexural buckling and lateral-torsional buckling are dealt with so that the buckling behaviour of both I-sections and hollow sections can be covered.On the basis of these numerical results interaction factors have been derived in context with the design model for member design in Eurocode 3-1-1. For statistical evaluation the test results available from other authors have been used.The outcome of this investigation has been incorporated in the present EN 1993-1-4 as a recommendation in restricted form.     

圆形焊接钢管的弯曲性能

采用数值计算方法对圆形焊接钢管的弯曲性能进行研究。用有限元(FE)法模拟环缝的焊接过程,采用三维(3D)热力耦合FE模型得到焊接残余应力和变形。结合焊接引起的几何缺陷和残余应力,对焊接圆钢管的失效模式、抗弯承载能力以及纯弯曲状态下的端部扭转性能进行了弹塑性大变形分析。结果表明,圆形焊接钢管的弯曲性能包含邻近焊缝处受压区的局部屈曲,这对端部扭矩有着显著影响。