新型冷弯箱形组合构件力学性能研究

基于箱形截面具有双轴对称、抗弯扭刚度大的特点,提出将冷弯∑形截面两两翼缘相对,并将其卷边焊接形成一种新型冷弯箱形组合截面——DS。应用非线性有限元方法分析新型截面构件在轴压、弯矩及压弯荷载作用时的诸如屈曲模式、承载力、刚度、延性及相关曲线等方面力学性能。同时,还对相同参数的新型截面构件与C形截面构件的单位承载力耗钢量进行比较。分析表明:新型截面构件在承受轴压力时具有高承载力及较高的截面模量,截面加劲充分而使子板件局部屈曲不易出现等力学性能优势。特别适宜承受轴压荷载,同时也适宜承受弯矩和压弯荷载的作用。轴压构件的单位承载力耗钢量一般仅为相同参数C形构件的50%左右,经济效益明显。新型箱形组合构件适于深入试验研究并合理应用于实际工程。     

冷弯翼缘闭合新型截面受弯构件性能研究

空翼缘梁(Hollow Flange Beam——HFB)具有截面形式开展,抗弯、扭刚度大的特点,主要用于承受弯矩。借鉴HFB的截面形式,适当改变其截面构成及截面参数,提出两种新型冷弯翼缘点焊闭合截面——HF1和HF2。采用有限元方法,建立适于冷弯截面受弯构件性能分析的非线性有限元分析模型。模型中考虑各种影响构件承载力的因素,包括材料的强化、局部屈曲、构件失稳以及构件的初始几何缺陷。通过对新型截面的变形模式、跨中相对挠度、弯矩-曲率曲线、极限弯矩等方面的研究,全面分析两种截面构件的静力性能。分析表明,新型截面构件具有刚度大、抗弯承载力高、截面局部屈曲不易发生等优越的受力性能,可以深入试验研究并合理推广使用。     

G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件力学性能与设计方法

为了研究高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的力学性能和设计方法,对3种板件加劲形式的G550高强冷弯薄壁型钢槽形截面受弯构件进行了试验研究和有限元参数分析。结果表明,板件加劲形式对高强冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲模式和受弯承载力有显著影响,翼缘V形加劲比腹板V形加劲能够更有效地提高构件抗弯承载力,构件抗弯承载力的变化规律与屈曲模式有关。根据有限元参数分析结果,在已有直接强度法基础上回归出适用于高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的直接强度法修正公式。     

冷弯薄壁型钢受弯构件局部屈曲性能研究

采用有限条程序CUFSM对截面形式为TS40和TS61的19根550MPa高强冷弯薄壁型钢帽形截面简支檩条受弯构件局部屈曲应力进行分析,计算结果与试验值吻合较好。利用有限条程序对帽形截面受弯构件的翼缘宽厚比、腹板翼缘宽度比、卷边翼缘宽度比、腹板翼缘夹角等参数进行计算分析,结果表明腹板翼缘宽度比是影响帽形截面简支檩条受压翼缘局部屈曲稳定系数的重要因素。利用考虑板组相关的我国现行规范GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和英国冷成型薄壁构件设计标准(BS5950-5:1998)对帽形截面简支檩条受压翼缘局部屈曲稳定系数进行计算分析表明:我国规范在腹板翼缘宽度比小于1.5时偏于不安全,大于1.5时偏于保守,而英国规范相对比较安全。在参数分析的基础上,提出了考虑板组相关的帽形截面简支檩条受压翼缘弹性局部屈曲稳定系数计算公式,建议公式可供工程设计和修订规范参考。     

冷弯薄壁型钢双肢拼合构件轴压承载力研究

目前我国相关规范对冷弯薄壁型钢组合截面构件的承载力设计方法比较粗略。基于已有的卷边槽形截面构件和由其组成的组合箱形截面构件的轴心受压承载力试验研究结果,通过有限元模拟和理论分析研究了此类构件拼合前后的受力性能的差异。分析了安装误差和连接件间距对拼合构件承载力的影响。提出了针对组合箱形和工字形截面构件的轴心受压承载力设计方法。研究表明,组合箱形截面构件的整体屈曲和畸变屈曲承载力较单肢截面构件有一定提高,而组合工字形截面构件仅整体屈曲承载力有一定提高。设计承载力与试验结果的比较表明,所提出的建议设计方法基本合理,可为相关规范的编制提供参考。     

卷边加强开孔的冷弯型钢受弯构件的性能、优化及设计

冷弯型钢(CFS)受弯构件的腹板常常开圆孔,用于通过管道、电缆、水管设施和安装横向支撑等。传统在冷弯型钢腹板上开孔的构件的翼缘是不带卷边的,最近研发出新型具有加劲卷边的C型截面冷弯薄壁型钢抗弯构件。然而,目前对于新型C型截面构件的研究尚不深入,有用的试验也有限。该文采用有限元分析方法分析加劲开孔的冷弯型钢薄板和典型C截面构件的稳定性。基于弹性屈曲分析方法得出孔洞的最佳剖面,并将其应用于标准C截面构件。采用屈曲后有限元分析方法确定构件的挠曲强度。结果表明加劲孔洞能够大大提高C截面CFS挠曲强度。计划提出新的设计准则以准确计算孔洞剖面最佳的新型C截面构件的挠曲强度。     

压型钢板组合箱型截面翼边板焊点间距的确定与应用

广州新白云机杨航站楼屋盖采用两个帽形冷弯型钢通过翼边板上纵向点焊形成组合箱形截面受弯构件 .根据组合截面在均布荷载作用下的简支梁跨中截面抗弯、支座截面抗剪的受力分析 ,给出了组合截面翼边板上焊点间距的取值 ,可供实际工程参考     

冷弯型钢C形截面受弯构件平面内稳定性能研究

为了研究冷弯型钢受弯构件平面内的稳定性能,对直卷边和斜卷边的冷弯型钢C形截面受弯构件分别进行了试验研究和有限元参数分析。试验研究和有限元分析均包含构件纯弯和非纯弯两部分。研究结果表明,多数构件在非纯弯作用下的抗弯承载力高于纯弯作用下的,但也有部分以局部和畸变相关屈曲为主的构件在纯弯作用下的抗弯承载力略高。屈曲模式是影响构件抗弯承载力的重要因素,构件以畸变屈曲为主时,非纯弯作用下的抗弯承载力明显高于纯弯作用下的。     

双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯性能研究

对6个单肢冷弯薄壁型钢C形截面梁和18个双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁进行了受弯性能试验研究 ,考察梁跨高比、翼缘宽厚比、截面高宽比、螺钉连接间距以及腹板开孔对双肢拼合工字形截面梁破坏模式和极 限受弯承载力的影响,验证双肢拼合截面梁受弯承载力具有“1×2≥2”的拼合效应,并采用ANSYS有限元软件进 行数值模拟与影响因素分析。结果表明：试件的破坏模式为翼缘及腹板局部屈曲和畸变屈曲的相关屈曲形式。改 变翼缘宽厚比和截面高宽比对双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁的承载力影响最大,而改变螺钉连接间距 （300~600mm范围内）和梁跨高比对工字形梁的承载力影响较小。在实际工程设计中,建议腹板开孔采用圆形孔 洞形式,腹板开孔截面积比例取为35%~50%之间,同时腹板开孔间距应不小于400mm。在双肢拼合工字梁受弯承载 力折减强度法的基础上,提出了适用于腹板开孔双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯承载力计算的强度折减 修正法。     

高强新型冷弯箱型构件受弯力学性能试验研究

高强新型冷弯箱型组合截面构件由于双轴对称的截面特征,而有形心、弯心重合以及抗弯、抗扭刚度大等优点。为了研究其力学性能,选取17根高强新型冷弯箱型组合截面构件进行受弯试验,试件的壁厚均为1.1 mm。试验结果表明:截面宽度对DS1截面构件的力学性能影响不大,但对DS2截面构件的影响较为明显;截面宽度对构件的延性影响也较为明显,截面宽度越小构件延性越好;试件的高宽比对试件受弯极限承载力贡献较小,试件合理高宽比为2~4;构件的长度对试件受弯极限承载力有明显影响;构件以整体侧倾和局部压屈变形为主,少数构件出现畸变变形;DS1型截面构件受弯极限承载力比DS2型截面构件受弯极限承载力可提高20%左右。     

焊接箱形截面稳定承载力的直接强度设计法

现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》对焊接箱形截面构件在考虑壁板局部失稳后的稳定极限承载力的设计规定还相当粗糙,按腹板高度边缘范围内两侧宽度各为20tw计算有效面积,未能与构件整体稳定性建立有效的联系。采用板壳单元,精确地模拟了箱形截面构件的壁板局部失稳及其相互作用,在大挠度、弹塑性范围内对箱形截面的稳定极限承载性能进行了研究。在大量数值分析的基础上,分别归纳总结了箱形截面构件在承受轴向压力、纯弯曲以及弯矩与轴力共同作用下的稳定极限承载力简化计算公式,对箱形截面构件稳定承载力计算及设计有参考价值。这种把构件稳定承载力设计与构件几何尺寸建立直接关系的直接强度设计法,会改进采用有效宽度法产生的误差,可以为薄壁结构相关技术规程修订时参考。     

Recent developments in the buckling and nonlinear analysis of thin-walled structural members

This paper describes recent work performed at the University of Sydney to develop buckling and nonlinear analyses of thin-walled structural members undergoing local, distortional and overall buckling. The analyses are based on the finite strip method of structural analysis and include elastic and inelastic buckling and the full nonlinear response with both post-local buckling and plasticity. Two variations of the finite strip method have been used, these being the semi-analytical and spline finite strip methods. A nonlinear beam-column analysis based on the influence coefficient method for including the local buckling behaviour in the overall member response is also described.

The analytical methods are compared with tests performed at the University of Sydney on cold-formed rectangular hollow sections, welded I-sections, welded channel sections and cold-formed channel sections. Spatial plastic collapse mechanismsdeveloped for the welded sections described above are also compared with the post-ultimate response of the test sections.     

Flexural strength of cold-formed steel built-up box sections

Presented in this paper is a study involving finite element analysis to investigate the flexural strength of built-up box sections which have been extensively used in residential and commercial construction in North America. In the North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members [CSA, North American specification for the design of cold-formed steel structural members, S136, Canadian Standard Association, 2002], there is no guideline or design equation to calculate the flexural strength of this type of section. Both the Lightweight Steel Framing Design Manual [CSA, Supplement 2004 to the North American specification for the design of cold-formed steel structural members, S136, Canadian Standard Association, 2004] and Cold-Formed Steel Framing Design Guide [AISI, Cold-formed steel framing design guide", American Iron and Steel Institute, 1st ed., 2002, 2nd ed., 2007] have recommended that the flexural strength and moment of inertia of the built-up sections to be taken as the sum of the two components based on deflection compatibility of the components. However, this design approximation has yet to be justified by experimental or numerical study especially for the cases of eccentric and concentric loading. In this study, the proposed finite element model of the built-up box sections was validated with the experimental tests carried out by Beshara and Lawson [Beshara B, Lawson TJ. Built-up girder screw connection variation flexural tests, Internal Report, Dietrich Design Group, 2002]. The flexural strengths obtained from the finite element analysis were then compared with the nominal strength evaluated based on the current design method in order to assess its suitability. Parametric studies were carried out for more than 30 specimens to identify factors affecting the flexural strength of cold-formed steel built-up box sections. A recommendation is made for current design practice of evaluating the flexural strength of the box section when subjected to eccentric loading.     

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。     

冷弯型钢截面创新设计思路与方法探讨

冷弯型钢构件具有截面成型灵活、加工性能优越、连接固定方便等特点而被广泛应用于各类建筑结构体系之中,对其截面组成形式的探讨和材料最大限度的合理利用是人们长期关注的焦点之一.通过对C形截面在受荷过程中有效形心移动现象的分析,归纳出新型冷弯型钢截面的优化设计原则,参考系列文献,给出新型冷弯型钢截面的优化设计思路;根据新型冷弯...     

焊接箱形截面短柱稳定承载力及设计方法

现行GB 50017-2003《钢结构设计规范》对焊接箱形截面构件在考虑壁板局部失稳后的稳定极限承载力计算未建立成熟的设计理论.采用板壳单元,精确地模拟了箱形截面短柱的壁板局部失稳及其相互作用,在大挠度、弹塑性范围内对箱形截面的稳定极限承载性能进行研究.在大量数值分析的基础上,分别归纳总结箱形截面短柱在承受轴向压力、纯...     

Ultimate strength of bolted moment-connections between cold-formed steel members

The behaviour and design of bolted moment-connections between cold-formed steel members, formed by using brackets bolted to the webs of the section, is considered. The particular problem of the moment-capacity of such joints being lower than that of the cold-formed steel sections being connected because of web buckling, caused by the concentration of load transfer from the bolts, is addressed. In this paper, a combination of laboratory tests and finite element analyses is used to investigate this mode of failure. It is demonstrated that there is good agreement between the measured ultimate moment-capacity and that predicted by using the finite element method. A parametric study conducted using the finite element model shows that the moment-capacity of a practical size joint can be up to 20% lower than that of the cold-formed steel sections being connected. Web buckling so-caused must therefore be considered in the design of such connections.     

腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁局部屈曲性能及直接强度法研究

为了研究腹板开孔复杂卷边冷弯槽钢梁的局部屈曲性能，以及探究北美冷弯型钢结构设计规范(AISI S100-2016)中腹板开孔冷弯槽钢梁局部屈曲直接强度法计算公式的可靠性，对孔高比(孔洞高度与腹板高度的比值)分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8的10个腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁纯弯试件进行了静力试验研究。试验结果表明，开孔和不开孔试件均发生以局部屈曲为主的屈曲破坏模式，与不开孔试件相比，开孔试件的受弯承载力下降，且下降幅度随孔高比的增大而增大。利用ANSYS有限元程序对试验进行了模拟分析，分析结果与试验结果吻合良好；在此基础上，采用经试验验证的有限元模型，通过变换腹板高度、板厚和孔高比开展了有限元参数分析，并根据有限元参数分析结果对已有腹板开孔冷弯槽钢梁的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式进行了修正。基于试验结果、有限元参数分析结果以及修正的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式，对AISI S100-2016中开孔冷弯槽钢梁发生以局部屈曲为主破坏时的直接强度法计算公式进行了修正。