960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明：当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。     

各国规范轴心受压构件相关稳定设计方法对比分析

钢结构轴心受压构件在板件宽厚比超过一定范围时会发生整体局部相关失稳。介绍美国、欧洲、中国和英国4种钢结构设计规范中关于轴心受压构件相关稳定的设计方法,并以焊接工字型截面轴心受压构件为例对各种规范的设计方法进行对比分析。美国钢结构设计规范通过引入屈曲折减系数Q对强度进行折减的方法考虑板件局部屈曲的影响,欧洲和英国钢结构设计规范均采用有效截面面积考虑板件的局部屈曲,并对构件长细比进行一定程度的折减。我国钢结构设计规范对于轴心受压构件相关稳定的设计方法仍需进一步研究和完善。     

460MPa级高强度钢材工字形截面轴心受压柱局部稳定有限元分析和设计方法研究

为研究标准屈服强度为460 MPa的高强度钢材工字形截面轴心受压柱的局部稳定受力性能,采用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,考虑残余应力和局部初始几何缺陷的影响,与已有的460 MPa高强度钢材工字形截面轴心受压柱试验进行对比分析,验证了有限元建模方法的正确性。利用经过验证的有限元模型,针对460 MPa高强度钢材工字形截面轴心受压柱的局部屈曲性能进行有限元参数分析,并将已有试验结果、有限元参数分析结果,与中国、美国和欧洲钢结构设计规范中的设计曲线进行对比,提出新的设计公式。结果表明:钢板厚度、钢板长宽比、局部初始几何缺陷幅值和残余压应力值对构件翼缘极限承载力的影响很小,但对翼缘局部屈曲承载力有较大影响;所提出的建议设计计算公式相对于中国、美国和欧洲钢结构设计规范中的设计计算方法,更加适用于460 MPa工字形截面轴心受压柱极限应力和局部屈曲应力的设计计算。     

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。     

高强度钢材箱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箱形截面柱的局部稳定受力性能,对4个Q460钢材等边箱形短柱进行轴心受压试验。根据试验结果分析试件的局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,并将试件的局部屈曲应力、极限应力与我国、美国、欧洲钢结构设计规范以及陈绍蕃建议的相应设计方法和计算公式进行对比分析。结果表明,钢板的宽厚比越大,试件截面的利用率越低,局部屈曲后强度越富余;我国钢结构设计规范中对于试件的局部屈曲应力的计算公式不适用于等边箱形短柱;对于等边箱形短柱的极限应力,美国、欧洲钢结构设计规范和陈绍蕃建议的设计方法的计算结果较为接近,且均略高于试验结果,这3种设计方法都是可行的。进一步修改已有的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的局部屈曲应力;建议采用陈绍蕃建议的设计方法,并进一步修改欧洲钢结构设计规范的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的极限应力。     

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。     

端部带约束的超高强度钢材受压构件整体稳定受力性能

高强度钢材(屈服强度≥460MPa)已经在国内外多个钢结构实际工程中得到应用,但关于其受压构件整体稳定性的研究还很少,特别是屈服强度超过690MPa的超高强度钢材。针对两种超高强度钢材S690和S960(名义屈服强度分别为690MPa和960MPa),进行了端部带约束的受压构件整体稳定受力性能的试验研究,试验共包括8个试件。基于试验结果,分析该类钢材构件的失稳破坏形态和屈曲承载力,利用经过验证的有限元模型计算其整体稳定系数,并与欧洲规范和我国规范的柱子曲线进行对比分析。结果表明,超高强度钢材受压构件整体稳定系数的试验值要明显高于其所在的b类柱子曲线,甚至比欧洲规范的a0类柱子曲线和我国规范的a类柱子曲线还要高出很多。这说明超高强度钢材受压柱的屈曲强度较普通强度钢材的屈曲强度有明显提高。这些试验研究和有限元分析成果为完善我国超高强度钢材的稳定设计方法和设计理论提供了重要的试验依据和前提条件,并有利于超高强度钢材在我国钢结构工程中得到更广泛的应用和发展。     

高强度等边角钢轴心受压局部稳定的有限元分析和设计方法研究

随着钢结构的发展,高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用逐渐增多,如输电铁塔和大跨度桁架等。然而由于强度的提高,较多数量角钢截面的等效宽厚比超过规范的限值,不满足局部稳定的要求。我国现行规范尚未对这一问题给出明确规定。运用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷,对15个高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能进行有限元分析,并与相应的试验结果进行对比。比较结果表明,建立的有限元模型能够准确模拟几何初始缺陷和残余应力对构件局部稳定受力性能的影响,从而准确地分析计算高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能。利用已验证的有限元模型,对高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能进行有限元参数分析,并与美国规范和欧洲规范的设计方法进行对比。结果得到:几何初始缺陷和残余应力对于高强度热轧等边角钢轴心受压构件局部稳定承载力的影响比普通钢材受压构件小;美国钢结构设计规范能够更准确的计算Q420等边角钢轴心受压构件的局部稳定承载力。     

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。     

中美欧钢结构标准设计方法比较

对中国、美国、欧洲钢结构设计标准中一些典型问题进行了比较分析。结果表明:对轴心受拉构件,美、欧标准考虑更为全面;对轴心受压构件整体稳定计算,三本标准采用的设计思想较为接近,美、欧标准的φ系数高于我国规范;对轴心受压构件的局部稳定计算,美、欧标准根据板件的宽厚比限值对截面进行分类,且利用屈曲后强度;受弯构件整体稳定计算时中国规范的整体稳定系数φb最大,美国规程次之,欧洲规程最小。     

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。     

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。     

高强焊接圆钢管轴心受压整体稳定性能设计方法研究

关于高强度焊接圆钢管受力性能的研究尚处于起步阶段,我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中针对焊接圆钢管轴心受压构件的整体稳定设计方法缺乏足够的研究依据,因此有必要对焊接圆钢管的整体稳定性能进行深入研究。利用ANSYS有限元软件对试验试件进行数值模拟计算,基于验证模型,对不同强度等级钢材和不同截面尺寸的高强度焊接圆钢管受压构件进行有限元参数分析。通过与国内外规范进行对比,最终对高强度焊接圆钢管的整体稳定设计方法提出两种建议:一是对于高强度焊接圆钢管截面轴心受压整体稳定承载性能可按照我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)或欧洲规范Eurocode 3的a类柱子曲线进行设计计算;二是基于我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)和欧洲规范Eurocode 3中的柱子曲线的公式形式,更新柱子曲线的缺陷系数,给出了新的设计曲线。     

屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢结构轴压构件承载力计算模式研究

本文收集了目前国内外屈服强度550MPa高强钢材冷弯薄壁型钢结构轴心受压构件的试验数据,参考现行的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002),对其承载力的合理计算模式进行了系统研究。结果表明,现行规范考虑板组约束计算截面有效宽厚比的方法对屈服强度550MPa高强钢材冷弯薄壁型钢结构轴心受压构件极限承载力的计算是可靠的。     

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...     

奥氏体不锈钢焊接工字型截面轴压构件整体稳定性能试验研究

为了研究奥氏体不锈钢材料的轴心受压构件的整体稳定性能,对11根奥氏体型不锈钢焊接工字形截面试件进行了轴心受压试验研究,其中5根采用强轴失稳模式,6根采用弱轴失稳模式。根据试验前测量得到的试件的几何初弯曲和试验过程中量测得到的荷载初偏心,分析了该类型构件的失稳模态和整体稳定性能承载能力,并将试件的试验数据计算结果与现行欧洲不锈钢结构规范和中国钢结构规范进行了对比,表明欧洲不锈钢规范偏保守,而中国钢结构规范较不安全。     

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。     

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。     

高强钢焊接箱形截面双向压弯构件屈曲后强度设计方法研究

相比于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003),《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)取得了较大的进步,允许板件先于构件发生屈曲,并利用了板件屈曲后强度。GB 50017—2017对轴心受压构件、受弯构件和单向压弯构件均给出了屈曲后强度计算公式,但对双向压弯构件却未给出计算公式。分析了已有的高强钢压弯构件屈曲后强度计算方法,基于GB 50017—2017中的压弯构件稳定承载力计算公式,提出了双向压弯构件屈曲后强度计算公式,收集已有高强钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度的试验和有限元结果以验证公式的有效性。研究结果表明,提出的计算公式能在大部分构件长细比和板件宽厚比范围内偏于保守地预测名义屈服强度为460 MPa和690 MPa的高强钢焊接箱形截面双向压弯构件的屈曲后强度。     

常温和高温下轴心受压钢构件局部稳定研究

为了研究高温下轴心受压钢构件的局部稳定设计方法,分析了现行《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中给出的宽厚比(高厚比)验算方法,并对该方法中的弹性模量修正系数进行了改进。采用改进后的方法考虑了温度对钢材力学性能的影响,给出了高温下轴心受压钢构件宽厚比(高厚比)的验算方法,利用有限元软件ANSYS,结合试验结果对给出的验算方法进行了验证。研究表明:对弹性模量修正系数进行改进后,计算结果更可靠;采用《建筑钢结构防火技术规范》(CECS 200:2006)中的钢材高温力学性能指标计算出的高温下轴心受压钢结构的宽厚比(高厚比)限值与常温下的区别不大,该值可以采用一个与温度有关的系数来确定。