塑性应变极限状态下I形和矩形管截面变形分析

通常在钢结构弹塑性设计中会假设大多数受压横截面中具有"全塑性铰"。基于平衡条件提出的用于计算塑性极限状态下结构内力的公式,不能计算出这种极限状态下各种内力组合下结构的整体变形。针对矩形管截面和双轴对称I形截面的弹塑性分析提出一个简单模型。该模型考虑了横截面塑性应变极限状态下的结构整体变形(轴向变形和弯曲曲率)与相应内力(轴力和弯矩)的关系。利用这个模型可以对横截面延性进行真实的评估。     

弯矩、剪力和轴力作用下钢材截面承载力

介绍欧洲规范EC 3中关于弯矩、剪力和轴力共同作用的规范条文,指出一些被忽略的设计情况,研究限于1~3级截面类型。结果表明,弯矩、轴力和剪力共同作用的设计情况最难确定。根据Huber-Mises屈服准则与EC 3的设计准则得到的结果进行了比较,并对交互曲线进行对比分析。M-V-N交互作用中轴力和剪力的共同作用十分重要,而现行规范并未给出N-V相互作用下钢构件的设计准则。为此,针对N-V相互作用给出相应设计准则,并对其进行了探讨。     

椭圆中空截面的塑性交互作用

建立了计算轴压、双轴弯矩和扭转组合作用下的椭圆中空钢截面的交互作用公式。公式基于塑性下限定理和最大畸变能密度屈服准则而建立。交互作用公式中包括一系列无量纲的椭圆积分,并可以预测屈服曲面上的内力组合。为计算内力组合选用了一系列测试公式和简化的交互作用公式。交互作用包括普通尺寸EHS截面的轴力、双轴弯矩和扭矩的组合内力。最后采用实例验证了这个公式在计算钢结构横截面交互作用中的有效性。     

半椭圆形中空截面的塑性交互关系

为半椭圆形中空建筑截面在普通的受力组合(力、扭矩和双轴弯曲)作用下提出了一个通用塑性交互关系。利用塑性下限理论和最大扭曲能量密度准则得出截面完全塑性抵抗能力。研究得到的计算关系是通用的,且为无量纲的,可用于极限状态设计。开发一个用于解决相互关系参数形式的迭代图表,并且归纳了一个许用应力组合表。提出符合表中内力组合的一系列测试函数和两个简化、保守的交互方程式。交互关系将轴力、双轴弯曲和扭转弯曲的组合与半椭圆形中空截面的几何特性联系起来。通过几个实际例子,验证了所提出的交互方程式的适用性。     

工字形截面压弯的局部稳定性

对压力和弯矩作用下工字形截面考虑板件间相互作用时的局部稳定性进行研究。在轴压下,得到精确的腹板弹性屈曲系数解析解;在压弯和弯曲作用下采用有限元方法求解;在轴压和弯曲单独作用情况下,拟合了精度很好的腹板屈曲系数计算公式;在压力和弯矩共同作用下则提出了压力和弯矩相关作用公式,拟合了相关作用公式中的指数。     

LOCAL BUCKLING OF I-SECTIONS IN COMPRESSION AND BENDING

对压力和弯矩作用下工字形截面考虑板件间相互作用时的局部稳定性进行研究。在轴压下,得到精确的腹板弹性屈曲系数解析解;在压弯和弯曲作用下采用有限元方法求解;在轴压和弯曲单独作用情况下,拟合了精度很好的腹板屈曲系数计算公式;在压力和弯矩共同作用下则提出了压力和弯矩相关作用公式,拟合了相关作用公式中的指数。     

双向弯矩和轴力联合作用下截面的极限承载力

分析方、矩形钢管混凝土柱子在轴压和双向弯矩作用下形成塑性铰时轴力-双向弯矩之间的相关关系。采用自编软件计算方钢管和矩形钢管混凝土截面,提出了简化计算式计算方、矩钢管混凝土截面的承载力。同时对圆钢管混凝土也进行了推导,发现矩形钢管混凝土单向压弯的计算式也适用于圆钢管混凝土柱子。     

T形钢管混凝土截面在双向弯矩和轴力联合作用下的相互作用曲线

T形钢管混凝土柱由翼缘宽矩形钢管和腹板矩形钢管内填混凝土构成,其中翼缘宽钢管又分成腹板左侧、与腹板相对和腹板肢右侧等三个腔,各腔壁板的宽厚比满足矩形钢管混凝土柱中对宽厚比的限值,因而钢板不发生局部屈曲。按照弹性材料假定确定组合截面的弹性形心主轴;采用截面变形符合平截面假定,钢材为理想弹塑性,并假设混凝土在钢管的约束下混凝土在到达强度标准值后不退化,略去混凝土拉应力,采用计算程序确定了T形钢管混凝土柱(T-CFT)在双向弯矩和轴力作用下形成塑性铰时的极限曲面。计算截面在塑性中和轴平行于翼缘时的轴力-弯矩相关曲线,论证了轴力-弯矩相关曲线的旋转对称性;分析了曲线的特点,根据弹性形心轴和塑性中性轴的相对位置,识别出4个关键点,分别是全截面受压、全截面受拉、塑性中性轴与弹性形心轴重合和塑性中性轴位于翼缘钢管的下表面,计算这4个关键点的轴力和弯矩;计算并且理论分析也表明,当塑性中性轴与弹性形心轴重合时,抗弯承载力达到最大值。根据不同截面宽高比、不同钢材与混凝土强度等级的组合下相关曲线的不同特点,将相关曲线分为两类,分别拟合了轴力和弯矩的相关关系。对于塑性中性轴平行于腹板的情况,存在绕两个形心轴的弯矩,分别画出了轴力与绕两个坐标轴的弯矩的两组相关曲线,这些相关曲线上同样可以识别出5个关键点,分别对应于全截面受拉、全截面受压、塑性中性轴在腹板肢左侧和腹板肢右侧、塑性中性轴与弹性形心轴重合,利用这5个关键点的轴力和弯矩值,拟合了轴力与弯矩相关曲线的两组近似计算公式。对最大抗弯承载力进行了参数分析,结果表明,影响最大抗弯承载力的最大因素是混凝土的分担率,为此拟合了最大抗弯承载力与混凝土分担率的关系曲线。最后,分析了T形钢管混凝土截面在双向弯矩和轴力作用下的相关曲线,考察了给定轴力下绕两个坐标轴的弯矩之间的相关关系曲线,发现相关曲线的左、右、上、下4个极值点的弯矩值对应的塑性中性轴分别平行于坐标轴,基于此特性,利用已经提出的塑性轴平行于坐标轴时的轴力-弯矩相关关系的计算式,可以计算出这4点的弯矩值;根据不同轴力下双向弯矩相关曲线,拟合了双向弯矩相关关系式。通过与大量算例结果的对比,发现该公式精度良好且偏于安全。     

PC连续梁塑性设计的极限等效荷载平衡法

对于预应力混凝土连续梁的正截面承载力计算及内力重分布设计,探讨一种概念清楚、计算简捷的方法。提出了"极限等效荷载平衡"的概念,将预应力混凝土连续梁简化为承受轴向力和剩余使用荷载的普通钢筋混凝土梁。给出了极限承载力平衡法的极限承载力计算简图和计算公式。讨论了主弯矩、次弯矩、预应力轴力对极限承载力及塑性内力重分布的影响,对预应力混凝土连续梁内力重分布的试验数据进行了分析,并提出了内力重分布的弯矩调幅系数的建议值。     

承受轴向、弯曲、剪切和扭曲组合荷载的钢筋混凝土和预应力混凝土的三维数值模型

提出了钢筋混凝土和预应力混凝土承受组合荷载下的分析模型，荷载包括轴力、双向弯矩、扭矩和双向剪力。所提出的模型基于Timoshenko梁理论的简单动力假设，保持了任意截面尺寸情况下的三维框架的形状。框架的控制截面被细分为一维，二维和三维材料响应。钢筋混凝土和预应力混凝土构建的材料模型遵循用切线刚度公式表示的改进压缩场理论的基本假设。     

Resistance of steel I-sections under axial force and biaxial bending

The plastic criteria for the verification of steel cross-sections resistance are usually based on some basic hypotheses such as the development of plastic hinges, which depend on the interaction between the internal forces and the cross-section shape; therefore, specific equations are required for each type of cross-section.This paper presents new alternative interaction criteria for the analysis of steel I-sections subjected to an axial force and biaxial bending moments, at the elastic or the plastic limit states (as long as buckling phenomena are not involved).The plastic interaction criteria are presented, in a first step, for some particular combinations of the internal forces, such as axial loading with bending about a main axis, and biaxial bending without axial loading. In these cases, they are given by exact equations (within the frame of the hypotheses adopted in this study). All these plastic interaction criteria are compared with the corresponding plastic criteria adopted in the Eurocode 3 (EC3).Afterwards, a simplified global criterion is proposed for the simultaneous combination of an axial force and bending moments about both the main axes of inertia. This new simplified plastic criterion and the corresponding plastic criterion adopted in the EC3 are compared with the exact solution, obtained by a mixed numerical and analytical integration procedure. This comparison shows that this simplified criterion usually leads to results closer to the exact solutions. Some suggestions are then presented to improve the results given by the EC3.     

轴力与双向弯矩作用下方钢管焊接球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”结构中采用了连接方钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点。文献[1]系统研究了方钢管焊接球节点在轴力与单向弯矩作用下的承载能力并建立了实用计算方法。本文进一步对轴力与双向弯矩作用下的这类节点进行深入研究。对轴力与双向等弯矩共同作用的节点,通过有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究其受力性能,并提出节点承载力的实用计算方法。而对双向任意弯矩作用的情况,提出了对单向弯矩及双向等弯矩两种情况进行线性插值的简化计算方法。     

Analysis of equal leg single-angle section beams subjected to biaxial bending and constant axial compressive force

Single-angle section beams are generally loaded parallel to their geometrical axes and their cross-sections are not symmetrical to their principal axes. Even equal leg angle beams have only one symmetrical axis. Many types of loading cause biaxial bending and axial forces in these members. Since single-angle section beams are slender members, they also need to be analyzed in terms of flexural buckling, lateral torsional buckling and local buckling effects. In this study, a calculation procedure is presented to analyze the nominal loads of equal leg angle section beams loaded vertically to the axis of the beam. It is assumed that the axial force is composed of a constant compressive force. The constant axial force is only taken into consideration for the uniform compressive stress and the second-degree effects caused in the cross-section. Thus only the biaxial bending moments remain. The first yield, full plastic and critical lateral torsional buckling moments for biaxial bending are calculated with respect to the slenderness of the beam and the axial force. The nominal design force on the cross-section is calculated according to the load and resistance factor design rules. The analysis proposed for the constant axial load can also be used for other axial forces, by using an iterative calculation procedure.     

Analytical formulation for the deformations of I-shapes and RHS at the plastic strain ultimate limit state

The development of “full plastic hinges” in the most stressed cross-sections is a common hypothesis considered in the elastic-plastic design of steel structures. The equations for the internal forces at the plastic limit state are then based on equilibrium conditions only, and they do not allow the global deformations corresponding to each combination of internal forces at this ultimate limit state to be estimated.This paper presents a simplified analytical model for the elastic-plastic analysis of rectangular hollow sections and bisymmetrical I-sections bent about their strong axis. This model states the relations between the global deformations (axial deformation and bending curvature) and the corresponding internal forces (axial force and bending moment) at the cross-section plastic strain ultimate limit state. It allows a realistic evaluation of the cross-section ductility, based on a relevant strain limitation at the most strained cross-section fibres.     

Plastic interaction relations for elliptical hollow sections

Interaction expressions are developed for steel elliptical hollow sections (EHS) subjected to combinations of axial force, biaxial bending moments and torsion. The formulation is based on the lower bound theorem of plasticity and the maximum distortional energy density yield criterion. The interaction expressions developed consist of a set of elliptical integrals which are cast in a dimensionless form and numerically evaluated to obtain a grid of internal force combinations lying on the yield surface sought. A series of trial functions are fitted to the grid of internal force combinations and a simplified and conservative interaction equation is selected. The interaction relation relates axial force, biaxial bending and twisting moment combinations for EHS sections of common geometries. Its applicability for conducting the cross-sectional interaction check in structural steel design problems is illustrated through a practical example.     

考虑局部屈曲影响的H形钢构件在双向压弯作用下的滞回性能研究

由于地震作用是多维的,结构构件在地震作用下将会受到双向弯矩作用,而构件在一个主轴方向的屈服或屈曲会给构件在另一主轴方向的各项性能带来退化。针对H形截面钢构件,设计了一种由万向铰与三个跟动装置组成的三维加载系统,对11个不同宽厚比、轴压比和加载方向组配下的大宽厚比H形截面钢构件进行了双向压弯的滞回试验研究,考察了其破坏模态、滞回曲线及耗能能力等滞回性能。采用ABAQUS软件建立了有限元模型,采用试验结果进行了校核。最后基于试验和有限元分析结果,分析了扭转效应对试件的影响特性。研究结果表明,板件的局部屈曲和塑性变形的相关作用是影响试件滞回响应的重要因素,而影响效果主要取决于板材宽厚比、轴压比和加载方向的耦合作用;扭转效应对所设计的试件影响较小。     

方钢管焊接空心球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”采用了一种新型的多面体空间刚架结构,杆件形式包括圆钢管、方钢管和矩形钢管,节点则主要采用焊接空心球节点。本文系统研究在轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接空心球节点的受力性能与承载能力。建立了采用理想弹塑性应力-应变关系、Mises屈服准则,同时考虑几何非线性的有限元分析模型,并对承受轴力、弯矩及两者共同作用的方钢管焊接球节点进行了大量的有限元参数分析。对轴力和弯矩共同作用的焊接球节点,其轴力-弯矩相关关系与节点的几何参数(包括空心球的球径、壁厚及钢管边长)无关。对若干典型节点进行了试验研究,直观了解节点的受力性能和破坏机理,并验证了有限元模型的正确性。还推导了基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。最后,综合简化理论解、有限元分析和试验研究的结果,建立了轴力、弯矩及两者共同作用下方钢管焊接球节点承载力的实用计算公式,其中,对轴力和弯矩共同作     

方形截面钢管混凝土双向压弯构件承载力理论分析和简化计算

在合理确定钢和混凝土应力－应变关系模型基础上,采用数值方法对方形截面钢管混凝土（以下简称方钢管混凝土）双向弯曲和双向压弯构件的荷载－变形全过程关系进行了分析,理论计算结果与试验结果吻合良好,并基于大量参数分析结果,提出该类构件承载力简化计算公式,可供工程设计参考．     

钢筋砼双向拉弯构件正截面承载力计算及研究

编制了钢筋砼双向拉弯构件的正截面承载力计算的计算机程序,可用于各类型截面的计算。并用此程序对矩形截面、等肢Ｌ形截面、Ｔ形截面和十形截面在双向拉弯作用下的Ｎ－Ｍ相关曲线、等轴力下的 Ｍｘ－ Ｍｙ相关曲线进行了分析研究。     

矩形钢管焊接空心球节点承载能力的简化理论解与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”的新型多面体空间刚架结构采用配合矩形钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点,目前规范对该类节点的设计方法尚属空白。在有限元分析和试验研究的基础上,进一步研究轴力、弯矩及两者共同作用下矩形钢管焊接空心球节点的承载能力及设计方法。首先推导基于冲切面剪应力破坏模型的节点承载力简化理论解,从而得到节点承载力计算公式的基本形式。在此基础上,利用有限元分析和试验结果,建立了轴力、单向弯矩以及两者共同作用下节点承载力的实用计算公式。对双向任意弯矩作用的情况,提出了基于线性插值的简化计算方法。成果可供实际工程设计采用,也可供相关规程修订时参考。