高温下轴心受压高强Q690钢柱的局部稳定

现行《建筑钢结构防火技术规范》(GB 51249—2017)未给出火灾下钢结构的局部稳定设计方法,为了获得轴心受压焊接H形高强Q690钢柱高温下的局部稳定性能,考虑钢材高温下力学性能退化、截面高温下焊接残余应力降低及初始几何缺陷,采用ABAQUS软件建立经试验验证的高温局部稳定分析有限元模型,得到焊接H形高强Q690钢柱在不同温度下的局部屈曲应力和极限应力。研究表明:当温度低于550℃时,钢柱在高温下和常温下屈曲应力具有相同的变化趋势;高温下的残余应力值和初始几何缺陷对屈曲应力有较大的影响,但对极限应力影响较小。     

Q460高强钢焊接箱形压弯构件极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接箱形压弯构件的整体失稳极限承载力,采用11mm厚国产Q460高强钢中厚板制作7个焊接箱形压弯试件,试件截面宽厚比分别为18、12、8,长细比分别为35、55、80。试验内容包括:Q460低合金高强钢的材性试验,三种焊接截面残余应力测试,各试件初始几何缺陷测量及极限承载力试验,从而进行了面内整体失稳压弯构件的极限承载力试验研究;并且把试验结果与我国现行钢结构设计规范计算值相比较。试验研究结果表明:Q460低合金高强钢材性具有高强度,塑性性能良好等特点;Q460高强钢焊接箱形截面残余应力分布形式与普通钢材箱形焊接截面分布基本相同,但是残余应力比降低;压弯构件极限承载力试验结果明显高于现行钢结构规范设计公式计算值,所以应对Q460高强钢焊接箱形压弯构件进行近一步参数分析研究,并得出其实用设计方法。     

Q460高强度钢材焊接H形截面弱轴压弯柱承载力试验研究

为了研究高强度钢材中厚板焊接H形截面压弯柱的承载力,采用国产Q460高强度钢材11 mm、21 mm中厚板制作了6个焊接H形截面压弯柱,试件截面自由外伸翼缘板宽厚比分别为7、5、3,长细比分别为40、55、80。通过对Q460低合金高强度钢材的材性测试、3种焊接截面残余应力测试、各试件初始几何缺陷测量及承载力试验,进行了H形截面弱轴压弯构件整体失稳承载力的试验研究,并与采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行计算的承载力对比;同时以理想弹塑性模型,综合考虑试件初始缺陷建立有限元模型,分析计算其承载力。试验及分析结果表明：Q460低合金高强度钢材具有强度高、塑性性能较好等特点;由实测截面残余应力值得到其分布形式与普通钢材焊接H形截面残余应力分布基本相同;高强度钢材焊接H形截面压弯构件承载力试验值明显高于GB 50017-2003设计公式计算值;文中采用的有限元分析方法可以较准确地计算试件的承载力。研究成果为高强度钢材在实际工程中的应用提供试验参考。     

高强钢焊接箱形轴压构件整体稳定设计方法研究

与普通强度钢材轴压构件相比,高强钢轴压构件的整体稳定承载力受构件初始缺陷,特别是受截面残余应力的影响显著降低,其整体稳定系数明显提高。国内外现行的钢结构设计规范制定的柱子曲线均是基于普通强度钢材构件的研究,现有针对高强钢轴压构件整体稳定性能的少量研究仅针对特定强度等级钢材提出了设计建议或方法。为研究不同等级高强钢轴压构件的整体稳定设计方法,全面总结了国内外现有高强钢焊接箱形截面轴压构件的试验研究,并采用三维有限元模型模拟了试件的整体稳定性能,分析过程考虑了几何初始缺陷、残余应力以及几何和材料非线性的影响。利用验证后的数值模型进行了大量参数分析,算例包括8种钢材强度等级、6种截面尺寸以及长细比不同的构件。结果表明,高强钢焊接箱形轴压构件的整体稳定性能随强度等级提高而提高。根据数值计算结果与我国钢结构规范设计曲线的对比分析,建议强度等级为Q460、Q500、Q550、Q620、Q690、Q800钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按b类曲线进行设计,Q890和Q960的钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按a类曲线进行设计。此外,还提出了更新的柱子曲线公式。     

Q460C高强度钢柱滞回性能有限元分析

为进一步研究Q460C高强度钢柱的滞回性能,在已有试验研究的基础上,采用通用有限元分析软件ANSYS建立了数值模型,对Q460C高强度钢材焊接箱形和H形截面柱在常轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能进行模拟,并研究了残余应力对高强度钢试件滞回性能的影响。将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,两者吻合较好。研究结果表明：采用提出的Q460C高强度结构钢滞回模型进行有限元分析,能较为准确的预测Q460C高强度钢材焊接H形和箱形柱的滞回性能;试件内残余应力对Q460C高强度钢材焊接H形和箱形截面柱的滞回性能影响较小。     

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。     

Q550GJ高强钢焊接箱形截面残余应力试验研究

为了研究国产Q550GJ高强钢焊接箱形截面构件的残余应力分布情况,根据其力学性能,设计和加工了6个Q550GJ高强结构钢焊接箱形截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验。基于试验测量数据,得到不同试件的残余应力分布,研究板件宽厚比、板件厚度等几何尺寸对残余应力的影响。研究结果表明:高强钢Q550GJ焊接箱形截面构件的翼缘和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,翼缘和腹板中部呈现大小基本不变的残余压应力区,其余部位为由残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域。随着宽厚比的提高,翼缘和腹板残余压应力值相应减小,残余拉应力值的变化规律不明显,有增大的趋势,且残余拉应力值均小于高强钢Q550GJ的屈服强度。在相同宽厚比情况下,焊接箱形截面构件厚度增加后,翼缘和腹板的残余压应力和残余拉应力相应减小。     

高强度Q690钢柱受火后受力性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱受火后的受力性能,采用电炉将2根高强度Q690钢焊接H形截面柱升温至800℃后自然冷却至常温,对受火后钢柱进行受压试验,得到钢柱的承载力和破坏模式。为考察受火对钢柱承载力的影响,对2根同尺寸不受火钢柱也进行受压试验。使用ABAQUS软件建立了试验钢柱有限元模型,考虑钢材受火后力学性能的退化和截面残余应力的影响,模拟试验构件的结构响应,并与试验结果进行对比。研究表明:钢柱均发生了绕弱轴的整体失稳破坏;经800℃受火作用后的钢柱承载力与不受火相比降低30%左右;有限元分析结果与试验结果吻合良好。进而采用有限元模型分析受火温度、冷却方式、长细比等参数对受火后Q690钢柱整体稳定系数的影响,有限元分析发现:受火后Q690钢柱稳定系数随受火温度升高呈先增大后减小的趋势,转折点为800℃左右;受火温度较低时冷却方式对Q690钢柱稳定系数影响较小,受火温度高于800℃后影响显著;受火后Q690钢柱稳定系数随长细比增大而降低,长细比小于80时,降低幅度较大,长细比超过80时,降低幅度减小。     

Q690D钢材十字形焊接接头高温后的断裂破坏试验研究

为研究Q690D高强度钢材及焊缝连接件在常温和高温后的断裂性能,选取代表实际梁柱节点局部焊接构造的十字形焊接节点试样,完成了常温和一系列高温后Q690D钢材和ER80-G焊缝金属的单轴拉伸试验,得到了钢材和焊缝金属在不同高温后的弹性模量、屈服强度、极限强度和延伸率。开展了常温和高温后十字形焊接接头的单调拉伸试验和超低周循环试验,研究了Q690D高强度焊接接头的断裂机理,探讨了过火温度、加载制度对焊接接头断裂性能的影响。结果表明:当钢材和焊接接头的过火温度高于600 ℃时,钢材和十字形焊接接头的强度降低,其变形能力开始增大; 800 ℃高温后Q690D钢材的强度降低,但ER80-G焊缝金属的力学性能无明显变化,导致焊接接头经受800 ℃高温后,在单调荷载作用下,其断裂破坏未发生在焊缝处,而发生在母材位置; 循环荷载作用下焊接接头的承载能力和变形能力都低于单调荷载的情况; 试验得到钢材、焊缝金属和焊接接头的力学性能指标,为发展考虑火灾后效应的断裂分析模型提供了基础试验数据。     

火灾后Q690高强钢超低周疲劳性能研究

为评估经历火灾的钢结构剩余抗震性能,需要明确火灾后结构钢材超低周疲劳性能。以受火温度、冷却方式和疲劳应变幅为变量,对23组高温后的Q690高强钢进行了超低周疲劳试验,获得了高温后Q690高强钢的疲劳寿命和循环应力-应变曲线。在此基础上,分析了Q690高强钢的超低周疲劳性能以及耗能能力,讨论了火灾后Q690高强钢的超低周疲劳破坏形态,并对其微观金相组织进行了观测,讨论了微观组织对超低周疲劳性能的影响。结果表明：高温后Q690高强钢仍具有良好的耗能能力,其循环应力-应变曲线呈现出饱满的梭形;经历600℃后自然冷却可以起到回火的效果,使Q690高强钢的疲劳寿命较常温的提高了23.4%;经历900℃高温后,冷却方式对Q690高强钢的峰值应力影响显著,浸水冷却的Q690高强钢的峰值应力是自然冷却的1.77倍;高温后Q690高强钢金相组织发生变化并影响其超低周疲劳性能;除经历900℃浸水冷却的Q690高强钢外,断口可以观察到明显的疲劳源、疲劳弧线和瞬断区,疲劳应变幅的增加使疲劳弧线间距增大。     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

国产Q690高强钢高温下力学性能试验研究

通过国产Q690高强钢的稳态试验研究,得到20~800℃下钢材的试验现象、应力-应变关系曲线、力学性能参数,并将所得试验结果与相关规范和已有研究进行比较。研究发现：随温度升高,试验后钢材表面及断口形貌区别明显,应力-应变关系曲线的初始线弹性段缩短、极限应力对应应变减小、下降段趋于平缓;弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学性能指标随温度升高而降低;而断后伸长率在200~500℃时相较于常温值有小幅度下降,600℃后明显增加;当温度低于500℃时,不同名义屈服强度折减系数之间存在较大差异。目前已有研究建议的钢材高温力学性能模型并不适用于Q690高强钢,通过试验结果拟合得到了高温下Q690钢力学性能模型,以期用于Q690钢材的钢结构抗火安全评估与设计。     

Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱低周反复加载试验研究

为充分了解高强度结构钢构件的抗震性能,采用Q460C高强度结构钢焊接制作H形和箱形截面柱试件各4个,进行固定轴压比为0.3的低周反复加载试验。试验测得了Q460C高强度结构钢H形和箱形截面柱的荷载 位移滞回曲线和弯矩 曲率滞回曲线。试验结果表明：宽厚比接近GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中“一级抗震”限值的试件试验破坏模式为板件局部屈曲,而宽厚比远小于“一级抗震”限值的试件在柱底部可形成具有充分转动能力的塑性铰;宽厚比小于“二级抗震”限值的Q460C焊接 H形截面柱和小于“一级抗震”的Q460C焊接箱形截面柱具有良好的耗能能力和抗震性能。在试验基础上提出了Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱的弯矩 曲率滞回模型,为高强钢结构在地震作用下的弹塑性静力分析和时程分析提供参考。     

Q690高强钢焊接箱形轴压构件整体稳定研究及设计建议

为研究Q690高强钢焊接箱形轴心受压构件的整体稳定性能,给出适合该类构件的设计建议,通过对3根Q690焊接箱形截面试件的残余应力试验,得到了箱形截面的残余应力分布模型。设计并制作了5根Q690焊接箱形柱,并对其两端铰支条件下进行了轴压试验研究,试验前分别对试件的几何初始缺陷和初始偏心均进行了测量。轴压试验中,所有试件破坏形式均为整体失稳破坏。基于试验结果,分析了该试件的整体稳定性能,采用直接分析法建立了数值模型,并校验了数值模型的准确性。同时,采用该数值模型对箱形轴压构件进行了参数分析,基于试验和参数分析结果,给出了Q690焊接箱形轴压构件的一阶弹性设计建议。     

Residual stresses in welded flame-cut high strength steel H-sections

The presence of residual stress in members can significantly compromise the stiffness and fatigue life of steel structural components. Researches in this area are well documented for structural members of mild carbon steels. Nevertheless, due to the difference of stress–strain relations and material properties under ambient and high temperatures, the residual stress distribution in a high strength steel member is physically different from those fabricated from mild carbon steel. It is imperative to study the residual stress distribution for structural members fabricated from high strength steel. In this paper, the residual stresses of three welded flame-cut H-section columns with a nominal yield strength of 460 MPa but different cross-section dimensions were investigated. Both sectioning and hole-drilling methods were used in the measurement and the obtained residual stresses were compared between the two methods. The magnitudes and distributions of the measured residual stresses are identical with those of carbon steel, however in relatively smaller residual stress ratios. Finally, based on the measurements, a simplified residual stress distribution for 460 MPa high strength steel members with welded flame-cut H-section is proposed.