Experimental investigation on distortional performance of cold-formed steel built-up channel columns with web stiffeners under eccentric compression

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能，并评估现行中美规范计算方法适用性，对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验，得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲，畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响；绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究，结果表明：计算绕强轴压弯承载力时，按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全；计算绕弱轴压弯承载力时，试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15，偏于安全且较为合理，与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66，较为保守，建议拼合构件的双肢可靠连接时，按拼合整体截面计算绕弱轴稳定承载力。     

开长圆孔轴压构件畸变屈曲承载力试验

对26根腹板开长圆孔和未开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析构件的屈曲模式和极限承载力。利用现行国家规范GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、北美冷弯钢结构构件设计规范AISI S100-2012计算构件承载力及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较。在此基础上,对腹板开长圆孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明:对于中等长度腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件主要出现局部、畸变和整体屈曲的相关作用;腹板开孔对构件畸变屈曲稳定承载力有一定的降低作用;采用折减构件有效截面面积的修正方法可计算开长圆孔构件的畸变屈曲稳定承载力。     

腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱畸变屈曲承载力分析

为了解腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱的受压性能,对12根开孔和未开孔中长柱进行了轴心受压试验研究。结果表明,所有试件均发生畸变屈曲失效,同时在峰值荷载时有绕弱轴的整体弯曲产生;孔洞的出现导致屈曲模态和屈曲半波数发生变化。最后,在试验和国外规范关于直接强度法计算理论的基础上,提出了一种适用于开孔和未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱畸变屈曲承载力的计算方法。采用该建议方法计算所得结果与试验值和参数分析值吻合较好,安全可靠。     

冷弯薄壁C型钢绕强轴偏心受压构件的极限承载力

冷弯薄壁型钢结构多采用有效截面法对构件承载力进行计算,该方法计算繁杂且未考虑构件的畸变屈曲性能。直接强度法采用全截面计算各类参数,能够考虑各种单独屈曲模式及其相关屈曲对构件稳定性能的影响,但目前该方法并不能应用于压弯构件。对冷弯薄壁C形钢绕强轴偏压构件的稳定性能进行参数分析,探讨了构件长度、偏心距、腹板高厚比、翼缘宽厚比和卷边高厚比等因素对构件承载力的影响规律。结合有限元分析结果,基于轴压构件和纯弯构件的直接强度法公式,提出了冷弯薄壁型钢绕强轴偏压构件的极限承载力计算方法。     

冷弯薄壁卷边槽钢绕弱轴偏心受压构件承载力试验研究

为研究C型冷弯薄壁型钢压弯构件稳定性能,特别是其畸变屈曲性能,设计了38个冷弯薄壁卷边槽钢(C型钢)绕弱轴偏心受压短柱和中长柱试件,对其进行承载力试验,分析其破坏模式、极限承载力和变形性能。研究结果表明:正偏心受压试件的破坏主要由畸变屈曲模式控制,而典型的负偏心受压试件的破坏则主要受局部屈曲控制。对于中长柱试件,破坏还包含与整体屈曲的相关屈曲特征。正偏心受压试件承载力随腹板高厚比的增加而提高,而负偏心受压试件则呈现相反的规律。将试验结果和其他已有的试验研究数据与按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和北美(加拿大)规范S 136-12计算的试件承载力进行了对比,结果表明:对于负偏心受压构件,当应力不均匀系数ζ(截面上最小应力与最大应力的比值)趋于0并偏向负值(偏心距较大)时,随着ζ的减小,GB 50018—2002计算值与试验值的误差呈现逐渐增大的趋势,明显偏于不安全,当ζ≥-1.6时,按S 136-12对构件承载力的预估偏于安全;对于正偏心受压构件,当ζ≥-0.2时,GB 50018—2002和S 136-12对构件承载力的预估在多数情况下偏于保守,但其计算值离散性较大。     

腹板开圆孔冷弯卷边槽钢轴压构件畸变屈曲承载力试验及计算方法

对26根屈服强度为235 MPa的腹板开孔和未开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析构件的屈曲模式和极限承载力。将我国及北美相关规范计算的构件承载力以及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较,并对腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明:对于中等长度腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件主要出现局部、畸变和整体屈曲的相关作用;腹板开孔对构件畸变屈曲稳定承载力有一定的降低作用;采用折减构件有效截面面积的修正方法可计算开孔构件的畸变屈曲稳定承载力;非线性有限元方法可用于腹板开孔冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式和极限承载力的分析。     

双肢“弓”形高强冷弯薄壁型钢拼合柱受压性能研究

采用有限元软件Abaqus对双肢"弓"形高强冷弯薄壁型钢拼合柱的受压性能进行了研究,分析了试件破坏模式以及长细比、自攻螺钉间距、腹板等效高厚比、偏心方向和偏心距对试件最大承载力的影响。结果表明:轴向受压试件和绕弱轴偏心受压试件,发生绕弱轴整体弯曲屈曲破坏;绕强轴偏心受压试件为局部屈曲或弯扭屈曲破坏;试件最大承载力和刚度随长细比、偏心距和腹板有效高厚比的增加而减小;当螺钉间距在100～300mm之间变化时,试件的最大承载力变化幅度在5.88%以内。依据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002),计算得到最大承载力P_G并与有限元值P_A进行对比,结果表明:规范计算结果均较保守。对于轴压试件,P_G与P_A的差距随长细比的增大而减少。对于偏压试件,在相同长细比和偏心距的情况下,绕强轴偏压试件的P_G与P_A的差距比绕弱轴偏压试件更大。     

卷边槽形截面受弯构件畸变屈曲计算方法研究

采用能量法分析冷弯薄壁型钢卷边槽形开口截面受弯构件弹性畸变屈曲应力及其畸变屈曲稳定系数。通过与有限条法分析的畸变屈曲应力进行对比分析,表明建议的畸变屈曲应力计算公式具有较高的精度,通过简化计算得到畸变屈曲稳定系数计算公式及部分加劲板件的局部畸变屈曲统一计算公式;给出了卷边槽形截面受弯构件考虑畸变屈曲的稳定承载力计算方法。最后通过分析计算受弯构件试验的构件承载力并与试验结果进行对比,表明本文提出的计算方法是合理的,相对于现行GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》能更准确地计算受弯构件部分加劲板件屈曲稳定系数及卷边槽形截面构件的稳定承载力。     

中美规范关于卷边槽形受弯构件承载力比较分析

新近纳入北美规范NAS 2004的直接强度法对冷弯型钢构件的畸变屈曲要求单独验算,但《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018-2002)对此还无明确规定。在总结冷弯型钢构件畸变屈曲性能的基础上,对其承载力计算方法给予介绍,由简化模型计算得到的受弯构件的畸变屈曲弹性临界应力中,引入直接强度法计算“规范”(GB 50018-2002)附录中卷边槽形受弯构件的承载力。结果表明,附录中部分截面的受弯承载力由畸变屈曲控制。同时,NAS 2004与“规范”(GB 50018-2002)计算结果的比较表明,“规范”(GB 50018-2002)的计算规定虽安全,但太过保守。因此,提出将翼缘屈曲系数调高至3.0的建议。     

双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱轴压性能有限元与理论分析

为了研究双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱的轴向受力性能,采用有限元方法对拼合箱形截面立柱长细比、腹板宽度、试件厚度、开洞情况及孔洞间距等参数进行了非线性分析,并将有限元结果与《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)"有效宽度法"计算未开孔试件承载力进行对比。综合考虑腹板孔洞影响,对构件轴压承载力进行折减,提出了适合双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面开孔试件轴压承载力计算的建议修正公式。分析结果表明:试件轴压承载力会随长细比增大及腹板孔洞的出现而减小;腹板位置处开孔洞会对试件极限承载力和破坏位置产生较大影响;开洞间距的大小不能明显改变多孔试件的极限承载力,也不会改变多孔试件的屈曲失效模式。     

冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形柱偏压受力性能试验研究与数值分析

对冷弯薄壁型钢四肢拼合箱形截面立柱进行轴压和偏压试验研究,得到各试件的荷载-位移曲线和极限承 载力,详细分析了试件的屈曲模式和破坏特征。建立了考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型对试验试件进 行模拟分析,两者吻合较好,验证了有限元方法的正确性。进而采用数值方法分析了构件长细比、螺钉间距和位 置、偏心距和偏心方向对该类拼合立柱偏压受力性能的影响。结果表明：双向刀铰支座可以很好的实现铰接;螺 钉间距为300mm时,拼合柱各肢整体协同工作性能良好;轴压和绕弱轴偏压试件最终破坏模式均为绕弱轴整体弯 曲,绕强轴偏压时,试件破坏模式为弯扭失稳,但扭转不明显;拼合柱的偏压极限承载力和刚度随长细比和偏心 距的增大而降低;偏心距相同时,拼合柱绕强轴偏压的极限承载力和刚度比绕弱轴偏压略高。     

采用GB 50018—2002计算壁厚小于2 mm的受弯构件承载力的适用性分析

对各国已有的壁厚小于2 mm的冷弯薄壁型钢梁受弯性能试验中的86根槽形、40根Z形、6根帽形和6根工字形冷弯薄壁型钢梁的试验资料进行总结。采用中国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）第5.3节中受弯构件的相关规定计算各构件的极限弯矩,将计算结果与试验结果进行比较。结果表明:按中国规范GB 50018—2002规定计算壁厚小于2 mm的冷弯薄壁型钢受弯构件承载力是可行的,试验值均大于规范理论计算值,规范理论计算值偏于安全。     

扣件式脚手架用钢管稳定系数研究

当前,在计算脚手架用钢管稳定承载力时,轴心受压构件稳定系数大多仍沿用GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的取值。资料表明,脚手架与GB 50018—2002计算中考虑的缺陷和截面存在差异。通过分析国内外相关规范中稳定系数φ取值,依照规范中综合缺陷数学模式,考虑48×3.5钢管的截面特性和实际几何缺陷,提出稳定系数φ修订意见。根据试验所测得结构稳定承载力,对初始弯曲和稳定系数φ的取值进行研究,并给出建议值。     

带垫板的双肢背靠背C型钢组合柱承载力分析

针对带垫板的双肢背靠背C型钢组合柱,通过试验和有限元模拟分析,研究该类型组合柱在偏心荷载作用下的受力特性,就偏心距、长细比、垫板厚度和间距等参数对组合柱承载力、刚度与轴向荷载的关系和M-φ曲线的影响进行讨论。结果表明:C型钢腹板和受压翼缘在整体失稳之前出现了严重的局部屈曲,组合柱的破坏模式均为弯矩作用平面内的弯曲失稳。长细比、偏心距和垫板间距是影响组合柱受力性能的主要因素,垫板厚度的影响有限。最后与规范GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定的柱承载力的计算方法进行对比,对该类组合柱的承载力计算给出了相关建议和承载力计算的修正系数。     

G450级冷弯薄壁型钢轴压柱承载力的计算方法探讨

对冷弯薄壁型钢构件承载力的几种计算方法进行了综述,引用了国外的一组试验数据,分别用美国规范(AISI 1996),中国规范(GB 50018-2002),北美规范NAS 2004附录中的直接强度法(DSM)进行了稳定承载力计算。结果表明:直接强度法可以有效地预测G450级冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱的稳定承载力,美国规范的计算结果偏于不安全,GB50018-2002对G450级冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱进行稳定承载力计算的结果与试验结果相比也偏于不安全,必须进行修正。考虑构件截面板组相关性的影响,修正后的计算结果与试验结果吻合良好且偏于安全,可供修订规范和设计时参考。     

腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合构件轴压性能试验研究

通过12根腹板开孔复杂卷边槽钢和Σ形复杂卷边槽钢双肢拼合工字形简支轴压构件的轴压试验，研究了构件承载能力、失稳模式和拼合作用。采用有限元软件ANSYS对试验进行了模拟，验证了分析模型准确性。并通过有限元变参数分析研究了孔高、孔宽和孔间距对拼合构件承载力的影响。结果表明：复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的腹板多波失稳现象明显，屈曲发生时两腹板间的相互支撑作用较强；Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件能有效地控制腹板局部屈曲的发生并显著提高短柱、中长柱的承载力；设置腹板加劲肋有助于提高孔洞周围板件变形的约束作用，同时也减弱了两单肢腹板间的相互支撑作用；相同条件下，Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的轴压承载效率与复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件相比，短柱提高了32%，中长柱提高了10%，长柱提高了2%；非加劲截面构件在不同长度下，孔高为腹板高度1/2(69 mm)时构件的稳定承载力较孔高为25 mm时下降约7%；而孔宽、孔间距对上述两类截面构件稳定承载力影响不大；此外，采用直接强度法预测非加劲截面双肢拼合构件的承载力结果偏于保守，而对加劲截面双肢拼合构件则略显不安全。     

超高强混凝土型钢组合长柱静力性能试验研究

为解决目前规范中缺乏超高强混凝土型钢组合柱设计方法和静力受压试验研究不够深入的问题,开展了5个轴心受压和4个偏心受压的立方体抗压强度为120 MPa超高强混凝土型钢长柱的静力试验,通过考察其破坏形态、轴力-挠度曲线、轴力-竖向位移曲线和轴力-应变曲线,研究了长细比、相对偏心距和箍筋间距对其静力性能的影响.试验结果表明:...     

钢管煤矸石混凝土轴压短柱极限承载力计算方法研究

为促进煤矸石在钢管混凝土结构中的应用,选取辽宁地区的煤矸石作为粗骨料,开展6根钢管混凝土和12根钢管煤矸石混凝土短柱轴压试验。根据构件破坏形式与荷载-应变曲线讨论材料强度、钢管约束和取代率对构件轴压承载力的影响规律,进行了设计参数与承载力的相关性分析,在此基础上,讨论规范GB 50936—2014和规程T/CECS 625—2019中的轴压短柱极限承载力计算方法对钢管煤矸石混凝土的适用性,给出圆钢管煤矸石混凝土短柱极限承载力计算公式的建议修正系数。结果表明:轴向压缩试验下构件呈现出局部鼓曲与剪切破坏形态; 与钢管普通混凝土短柱相比,钢管对核心煤矸石混凝土具有更好的横向约束效应; 相同取代率下提高套箍系数与含钢率将显著提升构件承载力,构件的轴压承载力随煤矸石取代率提升而降低,但最大降低幅度未超过11%:煤矸石粗骨料对承载力的相关系数为-0.33且不具有显著性; 现有的规范GB50936—2014和规程T/CECS 625—2019中相关计算方法适用于钢管煤矸石混凝土短柱,引入修正系数后承载力计算的平均相对误差在3%以内。