大宽厚比H形截面短柱轴压性能研究

针对大宽厚比H形截面轴心受压构件,目前中国GB 50017—2017中尚未形成完整的设计方法,而在欧洲EN 1993-1-1和美国ANSI/AISC 360-16中未能充分考虑板件相关作用的影响。为确保此类构件在工程应用中的安全性,探讨以上规范计算方法的适用性,针对12个大宽厚比,即宽厚比超出GB 50017—2017板件宽厚比限值的H形截面短柱,开展了轴压试验研究,基于试验结果进行了有限元分析。研究结果表明：翼缘与腹板间的约束作用在不同宽厚比组合下存在差异,直接影响板件的屈曲荷载,进而影响构件的承载力;通过调整翼缘与腹板宽厚比组合,大宽厚比H形截面轴心受压短柱有较高的屈曲后承载力,甚至可以达到全截面塑性承载力;根据板件宽厚比相对大小不同,峰值荷载后大宽厚比H形截面轴心受压短柱荷载-位移曲线可分为有、无陡降段两种类型;通过有限元分析,得到了宽厚比对H形截面轴心受压短柱承载力的基本影响规律,提出了考虑板件相关作用的受压截面分类宽厚比限值;通过对不同规范轴心受压构件承载力计算结果的对比,发现欧洲EN 1993-1-1和美国ANSI/AISC 360—16对H形截面轴心受压短柱承载力的计算结...     

高强度钢材受弯构件局部稳定设计方法对比

目前,高强度钢材已在建筑结构中得到了推广应用,国内外关于高强度钢材钢结构的研究工作也已逐步开展起来。欧洲和美国的钢结构设计标准已涉及到部分高强度钢材的设计内容,而GB 50017—2003《钢结构设计规范》尚未包含,修订中的新版《钢结构设计规范》计划纳入Q460高强度钢材。通过对比各国设计标准中关于工字形截面受弯构件局部稳定的规定,发现美国标准ANSI/AISC 360-10、欧洲标准BS EN1993-1、日本标准AIJ LSD2010和中国规范GB 50017—2003在设计范围和原则、板件宽厚比限值、腹板屈曲后承载力以及腹板最大高厚比等方面存在着一定差异。最后利用通用有限元软件ANSYS建立四点加载下的工字形截面受弯构件模型,计算不同钢材构件的腹板屈曲后极限承载力,并与各国标准推荐式的计算值进行对比,发现其均不适用于高强度钢材受弯构件局部稳定的计算。     

高强钢焊接箱形截面压弯构件局部稳定试验研究

为研究高强钢压弯构件的局部稳定性能，对5个Q460C和5个Q690D钢焊接箱形截面构件进行了单向偏压试验，分析了其破坏形式、局部稳定性能以及承载力；将实测承载力与欧洲规范EN 1993-1、我国标准GB 50017—2017和美国规范ANSI/AISC 360-16相关公式计算结果相比较，以验证各规范对Q460C钢和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算的适用性。研究结果表明：所有高强钢焊接箱形截面压弯构件均在柱中附近发生局部屈曲破坏；由轴向压力-轴向压缩变形或轴向压力-水平位移曲线可知，其为极值点失稳；构件的轴向压力-水平位移或轴向压力-应变曲线的形状和局部屈曲模式有关；在翼缘宽厚比为28.1～56.3、腹板高厚比为40.2～80.4、偏心距为20～50 mm范围之内，EN 1993-1和GB 50017—2017中的屈曲后强度计算公式仍然适用于Q460C和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件，而ANSI/AISC 360-16中的相关公式需要进一步修正。     

π形截面轴心受压构件局部稳定试验研究

为研究π形截面轴心受压构件局部稳定性能,对9根Q345B焊接π形截面钢构件进行了轴心受压承载力试验。分析了构件局部屈曲模态随板件宽厚比的变化规律,通过试验及理论计算得到了π形截面翼缘与腹板嵌固系数取值,将试验结果与现行钢结构设计规范计算结果进行了对比分析。研究表明:对于π形截面构件,中间翼缘嵌固系数可取定值1.0,腹板嵌固系数可取1.20,外伸翼缘受腹板的嵌固作用大小与两者相对尺寸有关;ANSI/AISC 360-2010中对宽厚比超过限值的屈曲承载力计算方法对于π形截面构件偏于保守;采用EN 1993-1-5和GB 50017—2017局部屈曲后承载力计算式的计算结果与试验结果吻合较好,可以很好地预测π形截面构件局部屈曲后承载力。     

美国、欧盟及中国钢结构设计规范中柱子曲线的对比

通过对比美国规范AISC360-05，欧盟规范EN1993以及我国规范GB50017关于轴压构件整体稳定设计的相关规定，发现AISC360-05因采用单一柱子曲线，因而不能充分考虑残余应力等因素对整体稳定承载力的影响；EN1993和GB50017分别采用5条和4条柱子曲线，因而较为科学；GB50017规定的整体稳定系数对大多数截面而言高于EN1993，但由于GB50017采用的抗力分项系数较低，其预测的承载力设计值仍低于EN1993和AISC360-05。     

矩形钢管混凝土构件抗弯性能研究

为研究厚实、非厚实和薄柔截面矩形钢管混凝土(CFST)构件的抗弯性能,提出一种有限元分析(FEA)模型。使用70组试验结果对有限元模型进行验证。有限元分析得到的复合构件极限抗弯承载力和弯矩-跨中挠度关系曲线与试验结果相符。利用有限元模型研究核心混凝土的破坏模式、外钢管典型的残余变形以及整个加载过程中组合结构的应力-应变分布。分析结果表明,组合梁中钢材和混凝土的相互作用使其产生了应力重分布,从而提高了矩形钢管混凝土梁的抗弯承载力和延性。最后,使用可靠性分析方法对欧洲规范EC 4(2004)、美国AISC(2010)和中国规范DBJ/T 13-51-2010中组合梁的现有设计公式进行了评估,结果发现,设计公式的可靠性指标较好。     

热轧方矩管连续梁塑性承载力研究

为研究热轧方矩管连续梁在荷载作用下的塑性承载力,采用有限元软件ABAQUS建立考虑几何初始缺陷和残余应力的有限元模型。基于已有的试验数据,验证了建立的有限元模型的正确性,分析钢材的强度等级、截面高宽比、板件宽厚比、集中荷载作用位置对连续梁塑性承载力的影响。将有限元结果与连续强度法、欧洲规范EN 1993-1-1的计算结果进行对比。结果表明:对于欧洲规范中的Ⅱ类截面,塑性设计建议允许适用。与现有设计方法对比,连续强度法是一种更为有效的设计方法,能够很好地考虑塑性重分布。最后,基于大量的数值研究,提出了适合连续梁塑性设计的截面相对宽厚比的建议值。     

Q460高强钢焊接工字形截面简支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简支梁的整体稳定性能,对跨中无侧向支撑的3个双轴对称和6个单轴对称焊接工字形截面简支梁进行了整体弯扭屈曲试验。实测了试件的截面残余应力和初始几何缺陷,并分析其整体弯扭屈曲变形特征和稳定承载力。建立考虑残余应力和初始几何缺陷的有限元模型对简支梁受力进行了模拟,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计算了大量不同截面尺寸和跨度的Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的整体稳定承载力。将试验和有限元参数分析结果与GB 50017—2017《钢结构设计标准》、JGJ/T 483—2020《高强钢结构设计标准》、欧洲规范EN 1993-2005和美国规范ANSI/AISC 360-2016的简支梁整体稳定系数公式的计算结果进行比较,结果表明GB 50017—2017和ANSI/AISC 360-2016的计算结果偏于不安全,EN 1993-2005的计算结果过于保守,JGJ/T 483—2020的计算结果偏于安全且最为接近。最后,在JGJ/T 483—2020的简支梁整体稳定系数计算公式基础上引入增大系数,并根据截面高宽比的不同,取用不同的长细比指数对该公式予以修正,修正后的公式更适用于Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的设计计算。     

Q460D高强钢及其螺栓连接疲劳性能试验研究

为研究Q460D高强度钢材螺栓连接的疲劳性能,对Q460D高强钢母材、有孔板和螺栓连接3组试件进行了疲劳试验,拟合了Smax-N曲线,并与采用我国规范GB 50017—2003和美国规范ANSI/AISC 360-10相关公式的计算结果进行了分析对比。结果表明:疲劳试验数据总体较离散,但均在95%置信区间内,拟合的Smax-N曲线能反映不同应力幅下试件的疲劳寿命,具有较高可靠度;由于Q460D钢材硬度大,塑性变形能力较差,对缺陷比较敏感;有孔板和螺栓连接试件的应力集中系数均在2以上。其中母材、有孔板的疲劳极限应力试验值分别是采用GB 50017—2003相关公式的计算结果的2.01、1.45倍,是ANSI/AISC 360-10相关公式的计算结果的2.32、1.91倍;螺栓连接试件的疲劳极限应力试验值略低于GB50017—2003相关公式计算值,是ANSI/AISC 360-10的1.07倍,表明ANSI/AISC 360-10的相关公式更适用于Q460D高强钢螺栓连接疲劳性能的评估。     

考虑板件间相关作用的热轧方矩钢管短柱轴压局部稳定性能研究

对轴心受压作用下热轧方矩钢管短柱的局部稳定受力性能和设计方法进行研究。采用ABAQUS建立有限元分析模型,考虑了构件不同初始缺陷以及残余应力分布的影响,并用收集到的试验数据验证有限元模型的可靠性。在此基础上,对不同高宽比,腹板高厚比以及正则化宽厚比的截面进行参数分析。结果表明,对于较薄柔的截面,板件相关作用对构件的轴压极限承载力的影响很大,设计公式应当予以考虑。将参数分析结果与欧洲、美国、中国钢结构设计规范以及直接强度法中方矩管截面局部稳定设计曲线进行对比,并提出了考虑板件相关作用的修正直接强度设计方法。结果表明修正后的直接强度法设计公式与有限元计算结果吻合很好,计算结果更为合理。