钢结构设计原理课程考试改革与实践

结合高校土木工程专业本科人才培养目标,以激发学生自主学习和创新能力为出发点,从改革考试的内容及方法入手,对钢结构设计原理课程进行了阶段性、多元化考试改革与实践。结果表明:考试改革达到了预期目的,取得了良好的效果。     

柱顶受轴力的柱列支撑受力分析

采用蒙特卡罗方法,考虑柱子初始缺陷和撑杆初始缺陷的随机遇合问题,应用有限元程序ANSYS对柱顶受轴力的柱列支撑体系进行了大量的仿真分析,得到了柱列纵向支撑体系的两种失稳模式;通过概率统计得到柱中水平撑杆所受内力的双正态概率密度函数,据此确定了可用于实际工程设计的支撑力的大小。结果表明:当柱顶轴力相等时,采用《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中柱列支撑设计公式计算支撑力偏大;当柱顶轴力不等时,采用规范公式计算支撑力将更保守;柱子初始缺陷和撑杆初始缺陷的随机遇合作用导致柱中水平撑杆受压力或拉力的随机性,降低了支撑力。     

G550高强冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件承载力直接强度法研究

直接强度法在冷弯薄壁型钢构件的设计中得到越来越多的应用,然而用于校准原有受弯构件直接强度法设计公式的试验数据均来自于屈服强度较低的纯弯构件,对于屈服强度较高的受弯构件尚无试验数据可供参考,限制了直接强度法设计公式的使用范围。采用有限元程序ANSYS对已有G550高强冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件试验进行了模拟,验证了有限元分析的可行性。在此基础上,对卷边形式为直卷边、斜卷边和复杂卷边的G550高强冷弯薄壁槽钢构件分别进行纯弯和非纯弯作用下的有限元参数分析,以原有直接强度法设计公式为基准,修正出适用于不同卷边形式的G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件在纯弯和非纯弯作用下的直接强度法设计公式,为今后的规范修订和工程应用提供必要的参考。     

随机初始几何缺陷对柱列支撑受力的影响

采用蒙特卡罗方法,研究了柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合对柱列支撑受力的有利影响。应用有限元程序ANSYS对带有不同初始几何缺陷分布的柱列纵向支撑体系进行了大量的仿真分析,得到了柱列纵向支撑体系的四种失稳模式;通过概率统计得到柱中水平撑杆所受内力的概率密度函数,确定了可用于实际工程设计的支撑力的大小。结果表明:柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用导致柱中水平撑杆受压或拉力的随机性,降低了支撑力,比《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中柱列支撑设计公式算得的支撑力小许多。     

竖向荷载作用下厂房纵向支撑的受力分析

从保证厂房柱列纵向稳定性的角度,对柱顶撑杆的设计要求进行了研究。采用蒙特卡罗方法,考虑实际工程中柱子和柱顶撑杆初始缺陷的随机遇合,应用有限元程序ANSYS对承受竖向荷载作用的柱列纵向支撑体系进行了大量的仿真分析,得到了柱列纵向支撑体系的三种失稳模式;通过概率统计得到柱顶撑杆所受内力的三峰正态概率密度函数,发现柱子和撑杆初始缺陷的随机遇合作用导致柱顶撑杆受压、拉或零受力的随机性,降低了支撑力,据此确定了可用于实际工程设计的支撑力的大小,为传统的柱顶撑杆由纵向受力决定的设计方法补充了竖向受力分析的验算方法。     

不同截面形式高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力试验研究

对36个屈服强度为550 MPa的高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行静力试验研究,考虑了加劲形式和卷边形式对试件受弯性能的影响,其中加劲形式分为无加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘及腹板中间V形加劲3种,卷边形式分为直卷边、斜卷边和复杂卷边3种。试验结果表明：加劲形式和卷边形式是影响试件受弯承载力和屈曲模式的重要因素;与无加劲形式相比,采用板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比,试件受弯承载力提高了30%~70%;同种加劲形式下,短（直、斜）卷边试件受弯承载力提高幅度最大,复杂卷边试件提高幅度次之,长（直、斜）卷边试件提高幅度最小;试验过程中试件发生了局部屈曲、畸变屈曲与局部和畸变相关屈曲。对试验进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

Q460高强钢焊接工字形截面简支梁整体稳定性能与设计方法研究

为研究Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的整体稳定性能,对跨中无侧向支撑的3个双轴对称和6个单轴对称焊接工字形截面简支梁进行了整体弯扭屈曲试验。实测了试件的截面残余应力和初始几何缺陷,并分析其整体弯扭屈曲变形特征和稳定承载力。建立考虑残余应力和初始几何缺陷的有限元模型对简支梁受力进行了模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,基于试验验证的有限元模型计算了大量不同截面尺寸和跨度的Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的整体稳定承载力。将试验和有限元参数分析结果与GB 50017—2017《钢结构设计标准》、JGJ/T 483—2020《高强钢结构设计标准》、欧洲规范EN 1993-2005和美国规范ANSI/AISC 360-2016的简支梁整体稳定系数公式的计算结果进行比较,结果表明GB 50017—2017和ANSI/AISC 360-2016的计算结果偏于不安全,EN 1993-2005的计算结果过于保守,JGJ/T 483—2020的计算结果偏于安全且最为接近。最后,在JGJ/T 483—2020的简支梁整体稳定系数计算公式基础上引入增大系数,并根据截面高宽比的不同,取用不同的长细比指数对该公式予以修正,修正后的公式更适用于Q460高强钢焊接工字形截面简支梁的设计计算。     

柱脚刚接与铰接柱列支撑体系受力性能对比研究

为研究柱脚刚接与柱脚铰接柱列支撑体系的不同受力性能,采用蒙特卡罗方法,考虑柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合,应用有限元程序ANSYS对柱脚刚接和柱脚铰接柱列支撑体系进行大量参数仿真分析。研究结果表明:柱脚刚接柱列支撑体系失稳时柱子呈两个半波的变化趋势,柱脚铰接柱列支撑体系失稳时柱子呈三个半波的变化趋势,因而后者的极限承载力和柱中撑杆内力均大于前者,且后者较高的极限承载力更大幅度地增加了柱中撑杆内力;柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用导致柱中水平撑杆受压或拉力的随机性,降低了支撑内力,比GB 50017—2003《钢结构设计规范》中柱列支撑设计公式计算的支撑内力小许多。     

冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件稳定性能分析

采用有限元软件ANSYS对3种加劲形式冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件的稳定性能进行了非线性分析,结果表明:加劲形式是影响构件屈曲模式和抗弯承载力的重要因素,构件在非纯弯状态下的抗弯承载力均大于纯弯状态下的抗弯承载力。     

高强冷弯薄壁Z型钢受弯构件直接变形法研究

为弥补有效截面法不能计算发生畸变屈曲的高强冷弯薄壁型钢受弯构件整体弯曲变形的不足,开展了基于全截面特性求解此类构件整体弯曲变形的直接变形法(DDM)研究。采用ANSYS有限元软件对已有试验数据进行数值模拟,验证了用ANSYS软件分析此类构件的可行性。在此基础上,对不同卷边形式和截面参数的高强冷弯薄壁Z型钢纯弯构件进行了有限元参数分析,提取了各参数情况下的荷载-位移曲线,基于各曲线的分布规律,建立了不同卷边、不同厚度时基于全截面特性的直接变形法计算式,极大简化了构件弯曲变形的计算过程。