冷弯薄壁型钢轴压构件畸变与整体相关屈曲承载力计算方法研究

基于我国《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)和北美规范及澳洲/新西兰规范中的直接强度法,利用国内外已有的试验数据,计算了60根破坏模式为畸变与整体相关屈曲的轴压试件以及50根破坏模式为畸变屈曲的轴压试件的承载力。通过计算值与试验值的对比分析表明：我国《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)中直接强度法所计算的轴压试件畸变与整体相关屈曲的承载力与试验值之比的平均值接近1.0,结果较为理想;计算所得的轴心受压试件畸变屈曲的承载力明显高于试验值,偏于不安全。基于上述结果,对《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)中直接强度法计算畸变屈曲的承载力提出了相应建议,即畸变与整体相关屈曲的承载力计算公式和畸变屈曲的承载力计算公式不应统一,应区别对待或给出附加核查条件,在计算畸变半波长度和畸变屈曲的承载力时,采用屈服荷载而非构件整体稳定承载力。     

对称轴平面内偏心受压冷弯薄壁卷边槽钢承载力直接强度法对比研究

在GB 50018《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(修订稿)的轴压及纯弯构件承载力直接强度法公式的基础上,结合我国实际,开展了对称轴平面内偏心受压构件承载力直接强度计算方法的研究,分析了截面有效形心偏移对计算结果的影响。采用所提出的未考虑有效形心偏移和考虑有效形心偏移的直接强度法计算了42个荷载偏向卷边侧和48个荷载偏向腹板侧的偏压试件的稳定承载力,并与GB 50018—2002和GB50018修订版中有效宽度法的计算结果进行了对比。试验值与计算值之比的平均值表明:考虑有效形心偏移比未考虑有效形心偏移的直接强度法的平均值更接近于1.0;变异系数的结果表明:考虑有效形心偏移的直接强度法和修订有效宽度法的离散性都比现行有效宽度法小。     

冷弯薄壁型钢构件承载力计算方法对比研究

以试验数据为依据,分别采用我国现行规范有效宽度法、规范拟修订稿有效宽度法和直接强度法计算了202个轴压构件、62个受弯构件、55个压弯构件的稳定承载力,通过试验值与计算结果的对比,综合研究了3种方法之间的差异性,对可靠度进行了定性分析。结果表明,拟修订的有效宽度法和直接强度法所得试验值与计算值之比的平均值更接近于1.0,且计算结果偏于安全,优于现行规范有效宽度法。从变异系数的结果可以看出修订有效宽度法和直接强度法的计算结果相差不大,并且它们的离散性都比现行规范有效宽度法小。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件试验研究及承载力分析

对63根屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件进行试验研究,分析了构件的屈曲模式和极限承载力,并将参考AISI规范、澳洲规范和北美规范及我国现行行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）计算的构件承载力与试验结果进行分析比较。在此基础上,对高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明：高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件在宽厚比较大时会出现畸变屈曲模式;采用等效板件方法计算加劲板件有效宽度后,我国《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）适用于屈曲强度550MPa、厚度小于2.00mm的冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件承载力计算。     

冷弯薄壁帽型截面立柱轴压试验研究

对厚度分别为0.8,1.0,1.2,1.5,1.8,2.0 mm,长度为3 m的18个冷弯薄壁帽型截面立柱进行轴压试验,并采用国内外规范及理论计算方法对立柱轴压承载力进行计算和比较。研究表明:当帽型截面的厚度较小(0.8,1.0 mm)时,立柱先局部失稳,而后发生整体弯曲或弯扭失稳;而当截面厚度较大(1.2,1.5,1.8,2.0 mm)时,立柱则直接发生整体的弯曲或弯扭失稳。采用AISI S100-2007中直接强度法计算出的帽型截面轴压承载力与试验值总体接近;当厚度为1.5,1.8 mm时,采用GB 50018—2002、AISI S100-2007和BS EN1993-1-3∶2006的计算结果与试验值吻合良好;当厚度为1.0,2.0 mm时,除BS EN1993-1-3∶2006外,中国、美国标准计算结果与试验值相差均较大,达到10%~21%。     

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舍截面立柱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...     

腹板加劲冷弯薄壁拼合H形钢压弯构件畸变性能试验研究

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。     

腹板加劲冷弯薄壁型钢立柱组合墙体轴压性能试验研究

为研究截面形式、腹板开孔和面板材料等因素对组合墙体轴压性能的影响,对墙柱形式为复杂卷边槽钢(S1截面)、腹板V形加劲复杂卷边槽钢(S2截面)和Σ形复杂卷边槽钢(S3截面),覆面板为定向刨花板(OSB)和石膏板的10片冷弯薄壁型钢立柱组合墙体进行了轴压性能试验。试验结果表明,S1截面、S2截面、S3截面的组合墙体上覆OSB板或石膏板时承载力之比分别为1∶1.36∶1.50和1∶1.34∶1.60;腹板加劲墙柱的主要失稳模式为畸变屈曲;与相同条件下无孔立柱组合墙体相比,腹板加劲有孔立柱组合墙体承载力下降约12.0%,非加劲墙体承载力下降1.6%。基于单根轴压构件的直接强度法开展了考虑墙板约束作用的组合墙体(有孔和无孔)轴压承载力计算方法研究,计算值与试验值的对比分析表明:以现有直接强度法为基础提出的墙体承载力计算方法对腹板非加劲立柱组合墙体的承载力预测较为准确,对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测偏不安全;考虑局部与畸变相关屈曲作用提出的承载力计算方法对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测值与试验值吻合良好。     

腹板加劲冷弯薄壁型钢立柱组合墙体轴压性能试验研究

为研究截面形式、腹板开孔和面板材料等因素对组合墙体轴压性能的影响,对墙柱形式为复杂卷边槽钢(S1截面)、腹板V形加劲复杂卷边槽钢(S2截面)和Σ形复杂卷边槽钢(S3截面),覆面板为定向刨花板(OSB)和石膏板的10片冷弯薄壁型钢立柱组合墙体进行了轴压性能试验。试验结果表明,S1截面、S2截面、S3截面的组合墙体上覆OSB板或石膏板时承载力之比分别为1∶1.36∶1.50和1∶1.34∶1.60;腹板加劲墙柱的主要失稳模式为畸变屈曲;与相同条件下无孔立柱组合墙体相比,腹板加劲有孔立柱组合墙体承载力下降约12.0%,非加劲墙体承载力下降1.6%。基于单根轴压构件的直接强度法开展了考虑墙板约束作用的组合墙体(有孔和无孔)轴压承载力计算方法研究,计算值与试验值的对比分析表明：以现有直接强度法为基础提出的墙体承载力计算方法对腹板非加劲立柱组合墙体的承载力预测较为准确,对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测偏不安全;考虑局部与畸变相关屈曲作用提出的承载力计算方法对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测值与试验值吻合良好。     

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。     

冷成型钢轴压构件畸变屈曲承载力计算公式研究

对Hancock提出畸变屈曲承载力计算的两条强度曲线公式背景和试验基础进行了研究,并将现行北美规范、澳洲规范及我国行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》轴压构件畸变屈曲承载力计算公式与Hancock两条强度曲线之间的关系进行分析比较。在此基础上,建议畸变屈曲承载力有效宽度计算的修正公式,并将其与Hancock两条强度曲线进行比较。此外,采用最近的复杂形式卷边槽形截面的试验结果,对上述3个畸变屈曲承载力计算公式进行分析评价和预测准确性验证。结果表明:Hancock两条畸变屈曲承载力计算曲线为各国现行规范的直接强度法和有效宽度法而采用,但二者在部分区段有一定误差;建议的修正公式基本处于两条计算曲线之间,延伸了适用范围并减小了误差,解决了不同规范的较大计算差值,与直接强度计算结果吻合更好;建议的修正公式和现行规范的2个计算公式均能较好地预测板件中间加劲、边缘二次加劲等复杂截面形式轴压构件的畸变屈曲承载力。     

冷弯薄壁型钢多肢拼合柱轴压试验研究

针对单肢C形和U形截面及由其拼合而成的双肢和四肢截面冷弯薄壁型钢柱轴压承载力,进行了66根(共6种截面,5种长度)两端铰接的多肢拼合截面冷弯薄壁型钢柱轴压试验,研究了长细比、肢数及拼合形式对冷弯薄壁型钢多肢拼合柱轴压受力性能的影响。试验结果表明:长细比小于70的开口截面易发生畸变屈曲,闭口截面则发生局部屈曲;长细比大于70的试件则以整体屈曲破坏为主;随着试件的长度增加,其轴压承载力逐渐降低。相对于单肢截面,相同高度的拼合截面长细比减小,试件破坏形式随着长细比减小而从整体屈曲控制变为畸变屈曲和局部屈曲控制,轴压承载力提高。试验结果为多肢拼合截面柱设计计算提供了试验数据支持。     

不锈钢焊接工字形截面短柱轴压局部稳定性能试验研究

对奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号的15个不锈钢焊接工字形截面短柱开展轴压局部稳定试验研究,考察截面组成板件的局部稳定性能和截面承载力,得出了试件截面的应力-应变关系曲线。研究结果表明：厚实截面的试件承载力高于其截面屈服荷载,试件截面应力-应变关系曲线表现出典型的非线性特性和应变硬化特征;而宽肢薄壁截面的组成板件发生过早的局部屈曲,使得试件承载力不能达到截面的屈服荷载,需要对截面强度进行折减。基于得出的试验结果和现有的其他试验数据,对现有设计方法,包括欧洲规范EN 1993-1-4和美国规范SEI/ASCE 8-02中的有效宽度法以及直接强度法计算得出的截面承载力进行评估,表明根据欧洲规范EN 1993-1-4和直接强度法计算得到的截面承载力偏于保守,而美国规范SEI/ASCE 8-02对宽厚比较大的截面承载力计算偏于不安全,而且计算离散性较大。     

冷弯薄壁U型钢轴压短柱承载力计算的直接强度法研究

现行北美冷弯型钢规范中直接强度法只适用于卷边C形、腹板加劲C形、Z形、R形和帽形这些截面形式较为简单的单肢截面,但并未涉及U形截面。为研究直接强度法对冷弯薄壁U型钢轴压短柱的适用性,采用ABAQUS非线性有限元分析了16种截面尺寸、4种厚度的64根试件,并对有限元模拟得到的极限承载力、部分学者试验结果进行回归,最终得到考虑U形截面屈曲后强度的局部屈曲承载力曲线。结果表明:现有的直接强度法公式计算结果偏于不安全,对现有的直接强度法公式进行了简单的修正,修正后的直接强度法计算式精度更高。     

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。     

铝合金工形截面短柱轴压局部稳定试验研究

为研究铝合金工形截面轴压构件的局部稳定性能,对15根工程中常用大截面铝合金6061-T6和6063-T5轴压短柱试件进行试验研究,并对12组48个材性试样进行拉伸试验。研究了材料的力学性能、试件的局部几何初始缺陷、变形性能、局部屈曲荷载、轴压承载力等,并将试验结果与各国规范中设计方法计算结果进行对比。试验结果表明：铝合金6061-T6强度与普通钢材相当,但延性较差;铝合金挤压型材的局部几何初始缺陷很小,远小于规范中给定数值;板件宽厚比越大,局部屈曲发生越早,破坏时材料的强度越得不到充分发挥,但是局部屈曲后材料强度仍有较大的提高;翼缘和腹板之间存在相互作用;中国规范、欧洲规范、美国规范和澳大利亚/新西兰规范均低估了试件的轴压承载力,其中美国规范计算结果与试验结果最接近。因此,对于板件宽厚比大的试件,应充分利用其屈曲后强度,各国规范得到的承载力计算结果均较保守。     

钢管混凝土短柱轴压性能研究

文章针对钢管混凝土短柱的轴压性能开展了研究，首先建立了数值分析模拟，通过某实际钢管混凝土短柱的轴压试验验证了有限元模型的可靠性。然后分析了钢管厚度、钢材等级、混凝土强度、配筋率对钢管混凝土短柱轴压承载力和延性的影响，最后采用各国规范对钢管混凝土短柱的轴压承载力进行了评价。研究结果表明：钢管厚度、钢材等级、混凝土强度、配筋率均可以提高钢管混凝土短柱的轴压承载力，但钢管厚度和钢材等级的提升效果更为明显。钢管厚度和配筋率可以提升延性，钢材等级和混凝土强度导致延性变差。其中，配筋率对延性的改善最为有效。目前各国规范关于轴压承载力的计算方法均过于保守，美国规范更接近于试验值。     

薄壁短柱轴压承载力的非线性有限元分析与计算

利用ANSYS8.1有限元程序对冷弯薄壁帽形截面及卷边槽钢短柱的承载力进行了非线性有限元分析。分析中考虑了材料非线性和初始几何缺陷的影响,提出了合理的有限元分析模型与网格划分密度,分析结果与试验资料吻合较好。此外,分别利用传统的有效宽度法和新兴的直接强度法计算了短柱段的极限承载力,并对翼缘宽厚比超过规范限值的情况提出了计算建议。两种方法除在部分截面的分析中得到较为保守的结果外,其余均与试验值比较接近。直接强度法计算上更加简便,且精度高于有效宽度法,是计算薄壁构件承载能力非常有效的新方法。     

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.     

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。