一种新型超薄壁冷弯钢构件组合截面形式及其力学特性分析

介绍了一种新型的超薄壁冷弯钢构件的截面形式,该类截面构件可用于方形、C型、U型等多种形式的组合结构,灵活轻便易于组装,可成为冷弯钢构建筑体系的承载构件.分析了组合件截面的特点,并将理论计算与有限元计算结果进行了对比分析,给出了此类超薄壁钢构件轴心受压承载力的适用范围及受压构件的屈曲形式,为此类构件的应用提供了理论依据.     

薄壁构件整体稳定性的有限元模拟

对薄壁构件整体稳定性分析中的薄壁梁单元和壳体单元两种有限元模型的特点进行了讨论,并提出一种新的适用于薄壁构件整体稳定分析的壳体单元模型,该模型可以有效消除各种局部屈曲模态的影响.采用通用有限元软件ANSYS,分别利用壳体单元模型和薄壁梁单元模型,分析了双轴对称截面梁、单轴对称截面梁、轴心受压构件、压弯构件和变截面梁的稳定性,通过与经典解或已有研究结果的比较对有限元模型的可靠性以及存在的问题进行了讨论.通过分析,发现ANSYS的薄壁梁单元模型不能用于分析单轴对称截面梁和压弯构件的弯扭屈曲,同时在分析变截面薄壁构件的稳定性时可能产生较大的误差;常用壳体单元模型可能由于截面的局部屈曲模态不能得到整体屈曲的临界荷载;提出的壳体单元模型可以精确模拟薄壁构件的整体稳定性.此外,提出的壳体单元模型不仅可以用于分析薄壁构件的整体稳定性,也可以作为检验薄壁构件整体稳定理论正确性的重要依据.     

基于极限荷载准则计算薄壁型钢轴心压杆整体稳定

基于极限荷载准则,直接考虑在冷弯残余应力、初弯曲综合影响下,研究冷弯薄壁型钢轴心受压构件整体稳定的极限状态设计方法.结合冷弯薄壁卷边角钢截面的计算结果,与试验结果和冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB50018 2002)中轴心压杆整体稳定的计算结果进行对比分析,证明所提计算方法正确可行.     

截面分层法计算不锈钢-混凝土-钢双壁管受弯承载力

提出不锈钢(薄壁外层)-混凝土-钢双壁空心管(DSTM)新型构件。借鉴钢-混凝土组合结构构件的基本假定及材料本构关系,分析DSTM正截面受弯承载力性能。利用截面分层法建立DSTM管纯弯构件承载力计算公式,并采用有限元数值计算方法对截面分层法计算结果进行比较分析。结果表明,两种方法所得结果基本吻合,所建立的公式可为工程设计提供参考依据。     

不锈钢箱形轴压构件整体稳定承载力计算方法

为研究不锈钢箱形轴心受压构件的整体稳定承载力,采用ANSYS软件对不锈钢轴压构件进行了非线性有限元模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,验证了所建立有限元模型的准确性.采用经试验验证的有限元模型对具有不同几何初始缺陷、截面残余应力、材料力学性能、截面宽厚比以及长细比的不锈钢工字形构件整体稳定承载力进行参数分析,通过对比确定材料力学性能、构件长细比为影响承载力的主要因素.在参数分析的基础上,依据稳定承载力的数据拟合结果提出了整体稳定系数的三段式计算方法,并将该计算方法与试验数据进行对比,表明此计算方法可较准确地计算不锈钢箱形轴心受压构件整体稳定承载力.     

超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体稳定的有限元分析

目的运用有限元方法分析计算超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定受力特性的准确性和可靠性,以及残余应力的影响.方法运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷,对11个超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱的整体稳定受力特性进行了有限元分析,并与相应的试验结果进行对比.结果有限元计算得到的承载力与试验实测结果的平均误差〈4%,且标准差〈5%.残余应力的2种变化对整体稳定承载力的影响〈3%.结论建立的有限元模型能够准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性,为进一步运用该有限元模型对各种截面的超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性进行分析计算提供了正确性依据.残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小,可能采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数.     

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。     

腹板开孔冷弯薄壁钢轴压构件畸变屈曲承载力试验研究

对26根屈服强度235MPa腹板开圆孔冷弯薄壁型卷边槽钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析了构件屈曲模式和极限承载力,采用国家规范GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》计算构件承载力、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畸变屈曲模式;腹板开孔在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方法可计算开孔构件的畸变屈曲稳定承载力。     

冷弯薄壁型钢门式刚架极限承载力影响因素

为研究冷弯薄壁型钢门式刚架极限承载力,提出梁-弹簧单元模拟冷弯薄壁型钢门式刚架节点工作性能和考虑构件初始几何缺陷影响的有限元模拟分析法,研究冷弯薄壁型钢门式刚架在竖向荷载作用下的变形性能及破坏特征。对已有冷弯薄壁型钢门式刚架试验模型进行模拟分析的结果显示,有限元计算结果与试验结果吻合较好。通过改变构件的腹板厚度和翼缘宽度、节点板厚度、刚架梁坡度、柱脚刚度等因素计算刚架极限承载力,计算结果表明,增大前述各个参数值均可以提高冷弯薄壁型钢门式刚架的极限承载力。     

新型冷弯翼缘闭合轴压构件力学性能

目的分析提出的两种新型（HF1、HF2）冷弯翼缘闭合截面在轴压荷载作用下的力学性能.方法采用非线性有限元数值方法,应用大型有限元通用程序ANSYS对新型截面构件的力学性能进行模拟.结果分析了新型截面构件在轴压荷载作用下的屈曲模式、变形特征、承载力、刚度等方面力学性能,并与同截面参数冷弯C形构件相比表明,新型冷弯截面构件具有截面平均应力高、构件刚度大、弯曲变形小,板件不易局部屈曲等力学性能优势,HF1、HF2轴压构件的单位承载力耗钢量最低分别为同截面参数C形构件的46%和41.6%,单位承载力耗钢量降低幅度明显.结论所提出的新型冷弯翼缘闭合构件具有多方面优良的力学性能,并具有明显的经济性优势,可以深入研究并合理推广使用.     

冷弯薄壁型钢四肢拼合立柱轴压承载力设计方法

建立了考虑材料、几何和接触非线性的有限元模型,在对冷弯薄壁型钢四肢拼合截面立枉的轴压性能试验试件进行模拟分析,验证有限元方法正确性的基础上,对考虑长细比、截面翼缘宽厚比等因素的一系列试件进行了数值分析,并得到其轴压承载力。在相关规范“有效宽度法”和“直接强度法”的基础上,提出了冷弯薄壁型钢四肢拼合截面立柱轴压承载力的设计方法：有效计算长度法和修正系数法。研究结果表明：试件最终破坏均呈现局部屈曲和畸变屈曲的破坏模式;在未考虑计算长度系数折减的情况下,当长细比小于50时,各规范公式计算值均略低于试验值和有限元值,吻合较好,当长细比大于50时,公式计算结果过于保守。     

不锈钢薄板纵向受压的有限元模拟及受力性能

板件受压性能是构件力学性能研究的基础,不锈钢板件的受力性能与普通碳素钢存在较大不同.论文对不锈钢薄板纵向受压性能进行研究.根据既有试验结果建立不锈钢薄板纵向受压的有限元分析模型,通过数值分析得到其稳定曲线,提出不锈钢薄板受压极限承载力和箱型截面构件局部屈曲承载力的建议计算公式.研究表明,材料本构采用Quach方程所得数值模拟结果具有较高精度.     

新型冷弯翼缘闭合组合构件轴压力学性能

为探讨进一步优化使用冷弯薄壁型钢材料,利用冷弯薄壁型钢截面成型灵活的特点,将既有的两类翼缘闭合截面形式经过合理变形,再经组合点焊形成两类新型截面形式——翼缘闭合组合截面DHF1、DHF2.采用ANSYS非线性有限元分析方法,针对新型截面轴压构件,建立了有效的分析模型,通过对构件的应力-应变关系曲线、参数变化时的极限应力变化曲线和应力、变形云图,全面考察了截面高度、截面宽度、板件厚度和闭合区高度比等参数对构件的变形模式、屈曲特征、承载力、极限应力等方面力学性能的影响规律.研究结果表明,新型截面轴压构件板件的局部屈曲不易出现,从而具有截面刚度大、承载能力强的特点,对于中、小长细比构件的极限应力常可达到材料的屈服强度,证明提出的冷弯翼缘闭合新型组合截面轴压构件具有较为优越的力学性能.     

考虑初始缺陷的厚壁冷弯方钢管柱承载力研究

运用ANSYS有限元软件,在综合考虑初始几何缺陷、残余应力、冷弯效应等因素的基础上,分析了厚壁冷弯方钢管轴心压杆的极限承载力,得出其稳定系数,并与《钢结构设计规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的计算结果进行对比,提出了厚壁冷弯方钢管轴心压杆稳定系数的初步确定方法。     

冷弯薄壁型钢轴心受压构件局部屈曲后强度分析

冷弯薄壁型钢具有较大的受压屈曲后强度,目前常用有效宽度法和直接强度法两种方法分析。本文通过算例与试验结果对比,找到了两种方法与试验结果之间的极限承载力差值,其中《冷弯薄壁型钢结构技术规范》提出的有效宽度法偏于保守,而直接强度法的分析结果较为接近,在工程应用中可以考虑采用直接强度法分析。     

冷弯薄壁方钢管混凝土柱的非线性有限元分析

为了研究设肋方式、钢管厚度、钢材强度和混凝土强度对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱力学性能的影响,本文采用ABAQUS有限元程序,对冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱进行非线性有限元分析,计算和分析了冷弯薄壁方形钢管混凝土组合柱轴压时的荷载-变形全过程关系曲线。给出了有限元计算中钢材和混凝土本构关系模型、钢管及其核心混凝土之间界面模型等确定方法,分析在轴压作用下四种不同截面形式的冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能和破坏模态,理论计算结果与试验结果吻合较好。研究表明,设肋能有效改善冷弯薄壁方钢管混凝土组合柱的力学性能,与不带肋截面钢管混凝土构件相比,四边肋截面钢管混凝土构件的轴压承载力提高了9.4%~14.8%,十字肋截面钢管混凝土构件提高了18.7%~39.9%,而空钢管构件降低了65.3%~89.7%。同时,混凝土强度和钢管厚度对冷弯薄壁方钢管混凝土柱的轴压承载力影响较大。     

冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱轴压性能试验研究

对17根冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱的轴压性能进行试验研究,截面分为A、B两类,得到了各试件荷载-位移曲线和破坏特征,并将试验结果与《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018-2002）＂有效宽厚比法＂和美国相关规范中＂直接强度法＂、＂有效截面法＂计算结果进行对比分析。结果表明：LC和MC系列立柱的破坏模式为整体弯曲屈曲,SC系列立柱则为局部屈曲和端部承压破坏;B类试件的最大承载力大于A类截面试件的最大承载力的2倍,即有＂1＋1〉2＂的拼合效应;对于A类截面LC系列立柱,GB 50018和AISI规范公式计算结果过于保守,而对于MC和SC系列试件,公式计算结果与试验结果比较吻合;对于B类截面LC和MC系列试件,公式计算结果偏于不安全,而SC系列试件,公式计算最大承载力偏于安全。     

轻钢-尾砂微晶发泡板组合墙受压性能试验

研发了一种用于装配式低层住宅的轻钢-尾砂微晶发泡板组合墙,它由轻钢龙骨和抗火及保温性能均好的尾砂微晶发泡板组合而成,在组合墙轻钢龙骨间还可填充粉煤灰砌块,以提升组合墙的保温和受力性能。为研究该组合墙受压性能,进行了4个轻钢-尾砂微晶发泡板组合墙受压试验,研究了轻钢龙骨壁厚、尾砂微晶发泡板强度、有无粉煤灰砌块,对组合墙破坏特征、承载力及变形能力的影响。进行了有限元数值模拟,分析了不同参数对组合墙承载力与破坏特征的影响规律,计算结果与试验符合较好。研究表明:加载前期组合墙为轴心受压状态,加载后期呈偏心受压状态;试件达到极限荷载时,轻钢龙骨局部出现屈曲破坏;轻钢龙骨厚度对组合墙承载力影响较大,增加轻钢龙骨厚度可明显提高组合墙的稳定性;增大尾砂微晶发泡板强度可提高组合墙抗压性能;组合墙轻钢龙骨间填充粉煤灰砌块后,粉煤灰砌块与轻钢龙骨及尾砂微晶发泡板具有良好的共同工作性能,可显著提高组合墙受压性能。建议工程中宜应用组合墙轻钢龙骨间填充粉煤灰砌块的截面构造形式.     

冷弯新型箱形组合截面受压构件性能研究

为进一步优化冷弯截面的设计,并基于箱形截面具有双轴对称、抗弯扭刚度大的特点,应用冷弯∑形截面构件两两组合点焊,提出两种新型箱形组合截面——翼缘对焊箱形组合截面和翼缘叠焊箱形组合截面.采用非线性有限元的分析方法,通过对两类箱形组合截面及其单一加劲参数变化条件下轴压构件的屈曲模式、变形过程、荷载-位移关系曲线、应力-应变关系曲线等方面的研究,全面分析了两种新型截面构件的屈曲性能和受力性能.将两种新型截面构件与具有相同外形尺寸的单肢C形腹板加劲构件进行了截面平均应力、屈曲模式等方面的性能比较,证明两种新型截面构件与其单肢开口截面构件相比具有显著提高截面平均应力、构件刚度大,构件整体变形小等.