高强钢焊接箱形柱受力性能研究(Ⅰ)：残余应力统一分布模型

现有高强钢焊接箱形截面残余应力分布模型仅适用于特定强度等级的高强钢,尚缺乏适用于不同强度等级高强钢的残余应力分布模型。为此,基于不同强度等级高强钢焊接箱形截面残余应力的已有试验,研究钢材的强度等级、板件厚度及宽厚比对残余应力分布和峰值的影响,提出不同强度等级高强钢焊接箱形截面的残余应力统一分布模型。该模型采用多重阶梯函数形状,适用于屈服强度460~960MPa的焊接箱形截面,且满足每个板件自平衡条件和对称性。将残余应力统一分布模型的形状、数值和已有试验结果进行对比,证明该模型的准确性。在基于纤维模型的极限承载力数值分析中,分别采用残余应力统一分布模型和已有分布模型计算高强钢焊接箱形柱的受压承载力,并将各自得到的极限承载力与已有试验结果进行对比。研究结果表明,采用残余应力统一分布模型后,不同等级高强钢焊接箱形柱的纤维模型计算能更准确地预测其极限承载力。残余应力统一分布模型可为不同等级高强钢焊接箱形柱的二阶非弹性分析提供参考。     

绕弱轴弯曲钢框架单元的非弹性二阶分析

框架单元常受绕横截面弱轴的弯矩作用,如空间框架单元、绕弱轴屈曲的压杆等。在某些组合截面柱中,绕弱轴方向的弯矩最大。建立简化模型,研究受轴压且绕弱轴弯曲时钢框架单元的二阶非弹性性能。建立了受轴压且绕弱轴弯曲时工字钢、H型钢的塑性强度公式及切线模量经验公式。切线模量公式可用于计算切线刚度,进而求得内部恢复力。这些公式可用于分析钢构件,并考虑欧洲规范ECCS中提到的残余应力,借助有限元程序,采用这些公式,分析平面框架的非弹性二阶性能。与纤维模型相比,新建立的模型的相关性更好。结果表明:新模型准确度高,能节约大量迭代计算时间,     

基于极限承载力的钢框架二阶非弹性计算方法

总结了目前多高层钢框架结构计算方法存在的问题。将布莱希(Bleich,F．)建立的考虑残余应力的切线模量概念加以运用,在考虑剪切变形之后,对Liew,J．Y．R．提出的二阶精细化塑性铰法进行修正,进而建立以二阶非弹性分析为基础的基于结构极限承载力的钢框架结构分析方法。     

高温作用后高强Q690钢焊接截面残余应力试验研究

焊接中的不均匀受热和冷却使钢材内部产生残余应力,残余应力会降低钢构件的刚度、稳定承载力和疲劳性能。钢构件在高温下的强度退化、塑性和蠕变变形会引起截面残余应力改变,从而影响其火灾下及火灾后承载力。为此,采用高强Q690钢材制作了6个焊接构件,包括H形、箱形两种截面形式。利用切条法测量其在常温（20℃）下、600℃和800℃高温作用后的截面残余应力,得到不同温度作用后残余应力的大小与分布。结果表明：高温作用后,残余应力有不同程度的释放;经历600℃作用后,箱形与H形截面残余应力幅值均下降至常温下的约35%;经历800℃作用后,箱形与H形截面残余应力幅值均下降至常温下的15%以下。基于试验结果,提出Q690焊接截面残余应力分布模型及残余应力幅值随受火温度变化的折减系数。     

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。     

考虑板件局部失稳影响的钢框架极限承载力分析

在精炼塑性铰梁单元模型的基础上,采用弯曲切线和轴向切线模量两套体系考虑板件局部失稳对钢框架结构极限承载力分析的影响,通过试验证明了这种方法的准确性和有效性。     

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。     

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。     

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。     

460MPa高强钢柱整体屈曲性能:试验研究及设计方法

受压柱的整体屈曲性能是钢结构研究的重要课题之一,尤其是近几年来应用越来越多的高强钢。对460MPa高强受压构件的整体屈曲性能进行试验研究。对包括焊接箱形截面和I形截面的12根钢柱进行试验。测量构件的残余应力、初弯曲和加载偏心率等初始缺陷。结合试验结果研究其屈曲变形和屈曲承载力。建立有限元模型,并与当前及以往研究中考虑初始缺陷的试验数据进行对比。采用经过验证的模型对大量不同截面尺寸和不同长度的柱的屈曲承载力进行估算,并将计算结果与其他钢结构规范的设计值进行对比。结果表明:460MPa高强钢柱,其无量纲屈曲强度与普通强度钢柱相比明显提高,并给出了相应的柱曲线和设计公式。     

Q690钢焊接H形截面轴压柱整体稳定性能研究及设计方法

该文旨在研究Q690高强钢焊接H形轴压柱的整体稳定性能,并给出适合该类型构件的一阶弹性设计建议。为此,对Q690焊接H形试件进行残余应力试验研究和轴压试验研究,基于试验结果,给出残余应力分布模型;并分析该类型试件的失稳形态和整体稳定性能。同时,使用直接分析法建立数值模型,并对其进行验证。该数值模型采用PEP单元(Pointwise-Equilibrating-Polynomial Element)来模拟构件的几何初始缺陷,采用塑性纤维铰方法结合截面屈服面(该屈服面考虑了残余应力效应)来反映关键截面的屈服影响。最终,采用该直接分析法对Q690焊接H形轴压构件进行了参数分析。基于参数分析结果,给出该类型轴压试件的一阶弹性设计建议。     

高强钢焊接方形截面偏压构件整体和局部相关屈曲承载力分析

采用有限元软件ANSYS分析了Q460钢宽厚比超限的焊接方形截面偏压构件的极限承载力,研究了板件宽厚比、构件长细比和偏心距对构件极限承载力的影响。基于数值模拟结果,提出了适用于Q460钢宽厚比超限焊接方形截面偏压构件极限承载力的计算方法。研究结果表明,考虑几何缺陷及残余应力的有限元模型能准确地预测焊接箱形截面偏压柱局部-整体相关屈曲的极限承载力;宽厚比超限的高强钢压弯构件的Pu/Py与Mu/Mp相关曲线基本为直线,且随着板件宽厚比(或构件长细比)的增大,Pu/Py和Mu/Mp不断下降。提出的建议计算方法与有限元计算结果符合良好。     

考虑不同残余应力分布的热轧Ⅰ型钢轴向构件的切线模量

提出各种残余应力分布下热轧I型钢截面有效切线模量的计算公式。因为存在残余应力,即使在均匀轴向应力作用下,横截面也会逐渐屈服。在弹塑性阶段,能够采用构件的有理正切模量得到其结构响应历史。在这项研究中,基于力学平衡的一般原理,推导出弹塑性阶段热轧I型钢构件的有理正切模量方程。为用于工程实际,给出传统热轧I型钢构件残余应力分布下的切线模量方程。利用壳单元模拟钢轴向构件,对其进行了一系列材料非线性分析,通过数值方法对所提出的公式进行了验证,并将所提出的公式与目前最常用的CRC切线模量方程进行了比较。对比研究表明,所提出的公式无需使用复杂的壳单元模型,能够以最简单的方式,精确分析轴心受压构件的弹塑性性能。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架抗震性能非线性有限元分析

高强钢组合偏心支撑钢框架是耗能梁段采用屈服点较低的钢材、钢框架采用高强钢的新型双重抗侧力体系。为研究不同钢材对抗震性能的影响,在试验的基础上对5种K形组合偏心支撑钢框架的抗震性能进行非线性有限元分析。对有限元模型进行分析时仅改变钢材的强度等级,构件截面和边界约束条件与试验则完全一致,同时考率几何非线性和材料非线性。通过对各试件耗能机理、应力分布以及塑性铰力学模型的分析表明,在耗能梁段相同的条件下,适当提高框架钢材强度等级可以抵抗耗能梁段应变硬化产生的内力增大效应,从而避免因增大截面导致的用钢量上升;此时结构的延性虽有所下降,但刚度退化速率减缓,钢框架残余变形小,有利于震后修复。     

Q550高强钢焊接箱形截面轴压构件局部稳定和相关稳定试验研究

针对Q550高强钢焊接箱形截面构件的局部稳定和相关稳定性能,对12个局部稳定试件和10个相关稳定试件进行轴压试验,对试件的初始几何缺陷和焊接残余应力分布进行测量。结合已有研究成果,提出一种焊接箱形截面残余应力分布模型,试验结果初步揭示了Q550高强钢焊接箱形截面轴压构件局部稳定和相关稳定的性能。     

曲杆单元铰接单层网壳弹塑性后屈曲分析

基于曲杆单元应力 弦长关系和矩阵微分理论,推导出曲杆单元在弹性与弹塑性状态下的切线刚度矩阵精确公式。研究构件取理想弹塑性材料,结构支座取固定铰支座和可动铰支座2种约束情况,考虑构件具有初弯曲,采用曲杆单元切线刚度矩阵和广义位移控制法,取结构自重为参考荷载,对节点铰接的K8大跨单层网壳结构进行弹塑性后屈曲分析。结果表明:曲杆单元切线刚度矩阵公式精确性很高,可有效用于大型铰接单层网壳弹塑性后屈曲分析。     

460MPa高强度钢焊接箱形截面残余应力的试验研究和模型分析

使用分段法对460MPa高强度钢焊接箱形截面的残余应力进行试验研究和模型分析。对由不同宽厚比和厚度的钢板焊接而成的6个箱形截面进行测试,得到超过2000个原始数据,以此量化压缩和拉伸残余应力的大小和分布。阐明了宽厚比和板厚对残余应力的影响、人为误差以及各构件的相互作用。研究结果表明,压缩残余应力的大小与截面尺寸相一致,而焊缝附近区域的拉伸应力与截面尺寸关系不大。由2个人对相同截面进行测量,对测量结果进行比较,结果表明人为测量误差较小。由于每个板内的残余应力平衡,各构件之间没有残余应力。最后,建立分布模型及其简化形式,模型分析结果与试验结果相符。     

焊接热切高强H型钢的残余应力

构件中所存在的残余应力会大大影响钢结构组件的刚度和疲劳寿命。虽然对于低碳钢的结构部件有较多的研究,但由于在常温和高温下应力-应变关系和材料属性的不同,造成了残余应力分布在高强钢构件中与低碳钢焊接而成的构件中的差异。因此,有必要研究由高强钢焊接而成的结构部件中残余应力的分布。对3个屈服强度460MPa的焊接热切高强型钢柱的残余应力进行研究,对不同横截面大小也进行了分析。使用切片法和钻孔法测量,并对两种方法所获得的残余应力进行比较。所测量的残余应力的大小和分布与碳钢中的一致,然而却有相对更小的残余应力比。最后,根据所测量的值,提出一个简化的由热切H型钢焊接而成的460MPa高强钢构件的残余应力分布。     

钢框架二阶弹塑性分析的简化塑性区法

本文提出钢框架二阶弹塑性分析的简化塑性区法。它可以考虑轴力的ＰＤｅｌｔａ效应，残余应力，横截面刚度退化和塑性区长度等几何和材料非线性因素的影响。该法既弥补了经典塑性铰法不能考虑横截面刚度退化和塑性区长度影响的不足，又克服了塑性区法单元过多，因而多占计算机内存和花费机时的缺陷。计算分析表明，其结果令人满意。     

高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件的稳定承载力

采用ANSYS软件建立有限元模型分析了Q460钢焊接薄壁箱形截面双向弯曲压弯构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷和材料缺陷,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,研究了构件长细比和板件宽厚比对极限承载力的影响;探明构件达到极限承载力时真实的应力分布状态;提出了采用毛截面计算其承载力的简单计算公式;收集可获得的试验结果以验证提出的计算公式。研究表明,建立的有限元模型能够很好地模拟焊接箱形截面双向偏心压弯构件的局部-整体相关屈曲性能;在大部分情况下,无量纲极限承载力与构件长细比和板件宽厚比近似为线性关系;构件达到极限承载力时还处于弹性阶段;轴力和双向弯矩之间的相关曲线也近似为线性;引入屈服强度修正系数后,基于线性相关关系的计算公式能够很好地预测Q460钢薄壁双向压弯构件的极限承载力;该公式还可推广到普通钢构件和更高强度的钢构件。