Q690高强圆钢管轴压性能数值分析及设计建议

利用商用有限元软件ABAQUS,对4种不同径厚比,正则化长细比λ_n从0.5～2.3的一系列埋弧焊接Q690高强圆钢管柱的整体稳定承载力进行了计算,然后根据公式φ=N/（Af_y）计算出整体稳定系数φ,将计算结果与GB 50017—2017《钢结构设计规范》规范中圆钢管轴压稳定曲线进行了比较。对Q690焊接圆钢管轴压构件整体稳定设计,针对GB 50017—2003《钢结构设计规范》规范提出两种建议：（1）对于柱子曲线选择的建议,即GB 50017—2003《钢结构设计规范》规范中采用a类柱子曲线;（2）对柱子曲线进行更新的建议,即更新GB50017—2003《钢结构设计规范》规范中的缺陷系数α1、α2、α3,提出了新的柱子曲线。     

钢结构轴心压杆的整体稳定问题探析

本文对钢结构轴心压杆的整体稳定从失稳形式、构件的缺陷等方面入手，分析我国现行《钢结构设计规范》(GB50017—2003)采用的柱子曲线，提出在实腹式轴心受压构件整体稳定计算中存在的问题与同行探讨。     

高强钢薄壁箱形截面轴压构件整体稳定承载能力研究

为研究18Mn2Cr Mo BA高强钢材轴心受压构件的整体稳定承载能力,对8个高强钢板冷弯成槽形并对焊成形的薄壁箱形截面构件进行轴心受压试验研究。通过建立有限元模型分析高强钢薄壁箱形截面压杆稳定承载力,分析对比发现计算结果与试验结果吻合良好。利用有限元软件分析了48个不同截面、不同长细比的构件,将试验结果、有限元分析结果与GB 50017—2003《钢结构设计规范》进行对比,发现其比b类曲线高、比a类曲线略低。建议该类杆件的设计采用GB 50017—2003的b类曲线。     

不锈钢箱形截面轴心受压构件整体稳定性有限元研究

为研究不锈钢箱形截面轴心受压构件的整体稳定性,采用ANSYS软件对奥氏体和双相体两种不锈钢箱形截面轴心受压构件的整体稳定性进行了数值模拟,模拟中考虑了材料的非线性本构模型、构件的初始几何缺陷、残余应力的影响。重点通过不锈钢箱形截面构件在轴压作用下的荷载-位移曲线、截面应变发展情况及极限承载力对其整体稳定性能进行阐述。通过对比有限元模拟值、试验值以及根据规范计算的承载力,认为采用ANSYS软件能对不锈钢箱形截面轴心受压构件进行准确地模拟,残余应力对箱形截面的极限承载力影响较小,《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)不适用于不锈钢整体稳定性设计。     

圆管截面两铰圆弧纯压拱的平面外稳定性及设计方法

拱的平面外稳定极限承载力设计一直没有成熟的设计方法及规范指导。通过分析两铰圆管截面圆弧钢拱的平面外弹性屈曲性能,指出Timoshenko未考虑翘曲的经典解与有限元分析结果吻合很好。在弹塑性平面外稳定性分析的基础上,借鉴单轴对称截面轴心受压构件的弯扭屈曲设计方法,提出以面外屈曲荷载对应的正则化长细比为参数进行面外稳定性设计的方法。借鉴我国GB 50017—2003《钢结构设计规范》中柱子曲线的表达式,建立纯压两铰圆管截面圆弧拱稳定承载力的实用计算公式及设计曲线。     

钢结构柱子曲线的理解与应用

GB 50017-2003《钢结构设计规范》是我国最新的钢结构设计规范,与GBJ 17-88相比,规范内容变化很大。以钢结构轴心受压构件为例,仔细分析了新规范中柱子曲线与老规范的差异,对于新增的d曲线、长细比换算系数、单轴对称截面对称轴的换算长细比计算等重点、难点进行了详细介绍,提出了在使用新规范组织曲线时的注意事项。     

高强度钢材工字形截面轴心受压短柱局部稳定试验研究

针对高强度钢材焊接工字形截面轴心受压短柱的局部稳定性能,对9个Q460C工字形截面短柱进行轴心受压试验,分析试件局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,研究翼缘、腹板嵌固系数的取值。此外,将屈曲应力、极限应力试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行对比分析,研究相应规范对于高强度钢材的适用性。结果表明：翼缘的嵌固系数可取为定值1.0,腹板的嵌固系数不宜取为定值;GB 50017-2003《钢结构设计规范》中关于高强度钢材工字形截面短柱的局部屈曲应力的计算结果是不合理的;AISC 360-05规范的极限应力计算值误差较大,但偏于保守;Eurocode 3规范的极限应力计算值与试验值较为接近,但大部分计算结果较试验值偏大。为此,建议提出新的公式计算工字形截面短柱的局部屈曲应力,而对Eurocode 3规范关于工字形截面短柱的极限应力计算公式进行修正,使其能适用于Q460C高强度钢材。     

高强钢管轴压构件整体稳定性承载力的试验研究

通过对18根Q690焊接钢管轴心受压构件的整体稳定性试验,研究不同长细比高强钢管的稳定性承载力。在试验的基础上,采用逆算单元长度法编制高强钢管轴心受压构件稳定性分析程序,并提出了高强钢轴心受压构件稳定系数计算式。数值计算结果与试验及按GB 50017—2003《钢结构设计规范》推荐曲线的对比分析表明,所得到的高强钢管稳定系数-长细比曲线分布合理,可用于高强钢轴心受压构件的稳定设计。     

基于中欧规范的轴心受压构件稳定性验算比较

根据EN 1993—1—1∶2005欧洲钢结构设计规范和中国GB 50017—2003钢结构设计规范,比较了轴心受压构件稳定性验算公式,并通过例题计算,得到两部规范的相同及差异之处,为涉外工程项目设计和管理提供参考。     

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。     

高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法研究

Q420和Q460高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用逐渐增多,由于强度提高,部分角钢截面的宽厚比超过规范限值,不满足局部稳定性的要求。GB 50017—2003《钢结构设计规范》对于这一问题并没有给出相应的计算方法和设计规定。结合DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》和美国ANSI/ASCE 10—97《输电铁塔设计导则》的相关规定,研究Q420和Q460高强度热轧等边角钢轴心受压构件稳定承载力的设计计算方法,分析了上述规范中对于高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法的合理性,为相关设计提供了参考。     

Q550高强度钢焊接H形柱轴心受压承载力试验研究

高强度钢在钢结构工程中的应用可以促进科技进步,还可以带来显著的经济和社会效益,是钢结构工程发展和进步的必然趋势。为了推动Q550高强度钢在我国钢结构工程中的应用,首先研究了Q550钢材的力学性能。按照两种长细比设计了6个高强焊接H形柱试件,对其进行了轴心受压承载力试验,研究分析了Q550高强度钢焊接H形钢柱的轴心受压的极限承载力、荷载-位移曲线。对构件的承载力和稳定系数进行了理论和试验结果的对比分析。结果表明:Q550高强度钢焊接H形柱轴心受压破坏是失稳破坏,使用性能很好,试验承载力高于按照现行《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)计算的值,试验得到的稳定系数也高于规范规定的值。     

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。     

十字组合角钢构件受压稳定承载力分析

以十字组合角钢构件为研究对象,研究构件轴心受压失稳方式,对GB50017—2003《钢结构设计规范》、DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》、ASCE10—1997《美国铁塔设计导则》有关轴心受压长细比取值规定及受压稳定承载力计算方法进行对比分析。研究表明:三种规范有关双轴对称十字截面构件的计算长细比取值均考虑扭转屈曲的影响;ASCE10—1997《美国铁塔设计导则》和DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》轴心受压稳定承载力计算考虑了翼缘外伸宽厚比对稳定强度的折减。GB50017—2003《钢结构设计规范》与DL/T 5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》有关十字组合角钢受压稳定承载力计算结果接近,且均小于ASCE10—1997《美国铁塔设计导则》。     

圆钢管相贯焊节点计算的国内外规范比较

在GB 50017—2003《钢结构设计规范》中,关于空间多平面圆钢管相贯节点承载力计算,只能考虑轴力,不考虑腹杆弯矩对节点承载力的影响。在《空心管结构连接设计指南》中单平面圆钢管相贯节点在复合受力状态下的承载力计算公式,主要是参照Eurocode 3。通过对两种规范关于圆钢管相贯焊节点计算公式归纳和对比可知,Eurocode 3相贯节点承载力公式相对于目前GB 50017—2003计算公式来说是偏安全的。基于此,对武汉站圆钢管相贯节点依照Eurocode 3拆分为若干单平面节点,再分别对单平面节点进行校核和演算。利用有限元软件ANSYS建立钢管相贯节点实体模型,进行非线性分析。模拟计算结果表明,该相贯节点设计满足要求。     

420 MPa级高强钢焊接圆钢管柱屈曲的试验研究

研究由420 MPa级高强钢(HSS)制成的焊接圆钢管柱的屈曲性能。对24个直径为273 mm、厚度为6 mm的轴心受压柱试件进行试验,测量包括轴向弯曲和荷载偏心距在内的初始几何缺陷。介绍并详细讨论关于屈曲模式和承载力的试验结果,并建立非线性有限元模型,对不同截面大小、由HSS 60制成的焊接圆钢管进行进一步参数分析。将有限元和试验结果与中国、欧洲以及美国规范中已有的柱设计曲线相比较。数值结果显示,可以采用GB 50017—2003、欧洲规范EC 3和ANSI/AISC360-10中的设计公式所计算的数值。此外,为了进一步提升设计效率,提出一条可用于这种高强钢焊接圆钢管设计、基于缺陷系数为0.17的欧洲规范EC 3公式的柱设计曲线。     

高强度钢材轴心受压构件的受力性能

介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况,基于高强度钢材焊接截面钢柱轴心受压试验结果,给出了高强度钢材焊接箱形和焊接I形截面的残余应力分布,并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算、讨论和比较,对高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究。研究结果表明,焊接箱形和焊接I形(绕弱轴,翼缘为焰切边)两种截面(板厚<40mm)的高强度钢材(屈服强度690MPa)轴心受压构件的整体稳定系数高于普通钢材钢构件,可以划分为b类截面;而翼缘的局部稳定性能没有明显提高,翼缘宽厚比限值仍可采用我国现行钢结构规范的规定值。     

国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆整体稳定承载力研究

为了研究国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆的整体稳定承载力,用厚度为8mm和12mm的国产Q460高强度钢板制作了3根焊接T形截面试件进行轴心受压试验。基于实测的钢材力学性能、截面残余应力和试件几何尺寸,建立考虑了初始几何缺陷和力学缺陷的有限元模型,分析预测试件的极限承载力,并将有限元结果与试验结果进行对比,验证有限元分析方法的正确性。利用经试验验证的有限元分析方法,补充计算了24根不同长细比压杆的整体稳定极限承载力,将相应的整体稳定系数与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的柱子稳定系数曲线进行比较。研究表明,国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆的整体失稳形式为绕对称轴的弯扭失稳,失稳时压杆进入了弹塑性变形阶段,在设计过程中选取b类截面柱子曲线对其进行计算是安全可靠的。     

中欧钢结构规范关于轴压构件的两个算例对比

结合具体算例,对欧洲钢结构规范(EC3)和现行中国钢结构规范(GB 50017—2003)关于轴心受压构件的计算过程和结果进行了较为详细的对比,计算结果表明,关于轴心受力的计算,GB 50017—2003比EC3的要略为保守,验证了STAAD软件在欧洲规范中关于轴心受力构件的验算结果基本可信。     

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能,对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果,分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力,建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态,大部分试件稳定承载力高于规范设计值;有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响,计算结果与试验结果吻合良好;通过与国内外钢结构设计规范的对比,提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法,即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计,而不需要按板件宽厚比大小进行分类。