腹板开圆孔冷弯卷边槽钢轴压构件畸变屈曲承载力试验及计算方法

对26根屈服强度为235 MPa的腹板开孔和未开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析构件的屈曲模式和极限承载力。将我国及北美相关规范计算的构件承载力以及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较,并对腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明:对于中等长度腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件主要出现局部、畸变和整体屈曲的相关作用;腹板开孔对构件畸变屈曲稳定承载力有一定的降低作用;采用折减构件有效截面面积的修正方法可计算开孔构件的畸变屈曲稳定承载力;非线性有限元方法可用于腹板开孔冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式和极限承载力的分析。     

腹板开孔冷弯卷边槽钢轴压构件畸变屈曲分析

采用通用有限元软件ABAQUS,对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件的腹板开孔的类型、开孔大小、开孔位置等参数进行分析,研究腹板开孔对构件发生畸变屈曲时屈曲稳定系数k值的影响。结果表明:开孔位置会影响其屈曲模式;多孔间距存在一个安全距离;腹板开圆孔或长圆孔时,构件屈曲系数k有着不同程度的降低。根据影响开孔构件畸变屈曲的主要参数,提出了开孔构件的端距限值和孔间距限值;对腹板开圆孔和长圆孔冷弯薄壁卷边槽钢轴压构件的畸变屈曲稳定系数进行分析并给出了相应的建议计算式。     

Experimental investigation on distortional performance of cold-formed steel built-up channel columns with web stiffeners under eccentric compression

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能，并评估现行中美规范计算方法适用性，对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验，得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲，畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响；绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究，结果表明：计算绕强轴压弯承载力时，按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全；计算绕弱轴压弯承载力时，试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15，偏于安全且较为合理，与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66，较为保守，建议拼合构件的双肢可靠连接时，按拼合整体截面计算绕弱轴稳定承载力。     

冷弯薄壁C型钢绕强轴偏心受压构件的极限承载力

冷弯薄壁型钢结构多采用有效截面法对构件承载力进行计算,该方法计算繁杂且未考虑构件的畸变屈曲性能。直接强度法采用全截面计算各类参数,能够考虑各种单独屈曲模式及其相关屈曲对构件稳定性能的影响,但目前该方法并不能应用于压弯构件。对冷弯薄壁C形钢绕强轴偏压构件的稳定性能进行参数分析,探讨了构件长度、偏心距、腹板高厚比、翼缘宽厚比和卷边高厚比等因素对构件承载力的影响规律。结合有限元分析结果,基于轴压构件和纯弯构件的直接强度法公式,提出了冷弯薄壁型钢绕强轴偏压构件的极限承载力计算方法。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件试验研究及承载力分析

对63根屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件进行试验研究,分析了构件的屈曲模式和极限承载力,并将参考AISI规范、澳洲规范和北美规范及我国现行行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）计算的构件承载力与试验结果进行分析比较。在此基础上,对高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明：高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件在宽厚比较大时会出现畸变屈曲模式;采用等效板件方法计算加劲板件有效宽度后,我国《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）适用于屈曲强度550MPa、厚度小于2.00mm的冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件承载力计算。     

腹板加劲冷弯薄壁拼合H形钢压弯构件畸变性能试验研究

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能,并评估现行中美规范计算方法适用性,对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验,得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲,畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响;绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究,结果表明：计算绕强轴压弯承载力时,按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全;计算绕弱轴压弯承载力时,试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15,偏于安全且较为合理,与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66,较为保守,建议拼合构件的双肢可靠连接时,按拼合整体截...     

双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱轴压性能有限元与理论分析

为了研究双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面立柱的轴向受力性能,采用有限元方法对拼合箱形截面立柱长细比、腹板宽度、试件厚度、开洞情况及孔洞间距等参数进行了非线性分析,并将有限元结果与《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018—2002)"有效宽度法"计算未开孔试件承载力进行对比。综合考虑腹板孔洞影响,对构件轴压承载力进行折减,提出了适合双肢开孔冷弯薄壁型钢拼合箱形截面开孔试件轴压承载力计算的建议修正公式。分析结果表明:试件轴压承载力会随长细比增大及腹板孔洞的出现而减小;腹板位置处开孔洞会对试件极限承载力和破坏位置产生较大影响;开洞间距的大小不能明显改变多孔试件的极限承载力,也不会改变多孔试件的屈曲失效模式。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能研究

建立了考虑材料和几何双重非线性的550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能分析的有限元模型,并通过对两种厚度高强冷弯薄壁型钢轴压构件畸变屈曲试验已有结果的分析比较验证了其有效性;采用该模型进一步分析了厚度、长度、初始缺陷模式及幅值等参数对畸变屈曲轴压构件承载力的影响,并对轴压构件畸变屈曲发生机理进行了探讨。结果表明：厚度、长度和初始缺陷模式是影响畸变屈曲轴压构件承载力的主要因素,且卷边面内屈曲是槽形截面轴压构件发生畸变屈曲的主要原因。通过理论计算与试验结果的对比分析,表明可以采用建议方法计算此类复杂截面轴压构件的畸变屈曲承载力。     

卷边槽形截面受弯构件畸变屈曲计算方法研究

采用能量法分析冷弯薄壁型钢卷边槽形开口截面受弯构件弹性畸变屈曲应力及其畸变屈曲稳定系数。通过与有限条法分析的畸变屈曲应力进行对比分析,表明建议的畸变屈曲应力计算公式具有较高的精度,通过简化计算得到畸变屈曲稳定系数计算公式及部分加劲板件的局部畸变屈曲统一计算公式;给出了卷边槽形截面受弯构件考虑畸变屈曲的稳定承载力计算方法。最后通过分析计算受弯构件试验的构件承载力并与试验结果进行对比,表明本文提出的计算方法是合理的,相对于现行GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》能更准确地计算受弯构件部分加劲板件屈曲稳定系数及卷边槽形截面构件的稳定承载力。     

高强冷弯薄壁型钢柱畸变屈曲研究

随着冷弯薄壁型钢构件朝着高强、超薄和复杂截面形式的趋势发展,畸变屈曲成了近年来国内外冷弯薄壁型钢结构研究领域的重要课题。在查阅大量文献和已有试验结果的基础上,利用有限元着重研究了不同腹板高度、翼缘宽度、卷边高度、厚度、长度、初始缺陷值大小对高强冷弯薄壁型钢槽形截面轴压构件的屈曲形式和极限承载力的影响。     

考虑畸变屈曲的冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件设计可靠度分析

基于已有的冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件承载力试验研究结果,对不同牌号冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件考虑畸变屈曲的有效宽度法承载力计算模式不定性进行了分析,并统计了冷弯薄壁型钢强度不定性和几何特性不定性。在此基础上,采用改进一次二阶矩方法,按《冷弯型钢结构技术规范》(修订稿)的抗力分项系数要求,计算了不同牌号冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受压构件在不同可能荷载组合下的可靠指标。结果表明:对于LG550、S350、S280冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受压构件,按《冷弯型钢结构技术规范》(修订稿)的抗力分项系数计算得到的可靠指标均能满足目标可靠指标的要求,证明了所采用的考虑畸变屈曲的有效宽度法计算构件承载力的适用性。     

冷弯薄壁型钢拼合截面柱轴压承载力计算

为了研究冷弯薄壁型钢拼合截面柱的轴压承载力,对各国有关冷弯薄壁型钢拼合截面柱的轴压试验进行了ANSYS有限元模拟分析,有限元计算结果与试验结果吻合良好,从而验证了有限元方法的正确性。采用有限元方法分析了构件截面形式、截面尺寸以及长细比对冷弯薄壁型钢拼合截面柱拼合效应的影响,提出了冷弯薄壁型钢拼合截面柱轴压承载力的简化计算方法。分析结果表明:随着长细比的增大,拼合截面柱的拼合效应随之增大。对于主要通过螺钉将腹板进行拼合的构件,当翼缘宽厚比一定时,随着截面宽高比的增大,腹板拼合的整体性增强,从而使拼合效应增大,而截面面积的改变对拼合效应的影响则不是很明显。     

开孔冷弯卷边槽钢构件直接强度法分析

文中对应用于开单孔轴压构件承载力计算的直接强度法进行了介绍,同时给出了腹板开多圆孔和多椭圆孔轴压构件的试验结果,利用介绍的直接强度法计算了试验构件的极限承载力。计算结果表明:应用于开单孔轴压构件承载力计算的直接强度法计算构件承载力与试验值比较吻合,且有一定的安全度。应用于单孔轴压构件极限承载力计算的直接强度法同样适用于腹板开多孔构件极限承载力的计算,可用于冷弯薄壁型钢开孔构件的工程设计。     

腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱试验及设计方法

为研究腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱的整体稳定性和承载力设计方法,对不同截面的腹板、开圆或矩形孔不同开孔尺寸的冷弯薄壁卷边槽钢柱进行了轴压承载力试验,其中未开孔、开圆孔、开矩形孔试件分别为6,18,18个,每个开孔构件在腹板开孔3个,圆孔直径为0.3、0.5、0.7倍腹板高度,矩形孔高为0.2、0.4、0.6倍腹板高度,孔长为孔高的2倍。试验结果表明:构件宽厚比较小易发生弯扭失稳,而宽厚比较大构件易发生局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲;随着开孔尺寸的增大,腹板发生局部屈曲时荷载提高;与未开孔构件相比,开孔柱的承载力有所降低,且随着开孔尺寸的增大而逐渐降低。采用ABAQUS有限元程序对试件进行了模拟分析,模拟结果与试验结果吻合良好,表明采用有限元分析此类开孔构件是准确和可行的。进而开展了有限元参数分析,对此类构件的弹性整体屈曲临界应力计算式进行修正。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面偏压构件试验研究及承载力分析

进行了48根屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面偏心受压构件试验,考虑了不同截面形式、厚度、长细比和荷载偏心方式的影响,研究了这类偏心受压构件的破坏模式、承载力影响因素以及构件承载力计算方法。结果表明：高强冷弯薄壁型钢偏压构件由于材料强度高,截面宽厚比较大,局部屈曲和畸变屈曲的影响较大,我国规范仅考虑了局部屈曲的影响而没有全面考虑畸变屈曲的影响,这使得部分发生畸变屈曲的试件计算结果偏于不安全,但又对不发生畸变屈曲的长细比较大的构件偏于保守。最后,在试验和现有规范方法比较分析的基础上,提出了一种适用于高强冷弯薄壁型钢偏压构件极限承载力的建议计算方法。该建议方法计算所得结果与试验结果吻合较好,且安全可靠,可供设计参考。     

冷弯型钢受弯构件非弹性承载力设计

针对冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件非弹性屈曲设计方法进行研究。在名义屈服强度235MPa的30根冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件试验的基础上研究,通过承载力计算对比分析,提出了基于有效宽度法的受弯构件非弹性屈曲承载力的计算方法,通过与试验结果以及北美冷弯薄壁型钢结构技术规范计算结果进行对比,表明建议计算方法能够较好的考虑受弯构件在非弹性阶段承载力的提高作用。     

卷边槽钢开孔轴压构件弹性屈曲荷载

采用理论和有限元方法分析腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件弹性整体弯曲失稳、弹性畸变屈曲以及弹性局部屈曲的受力性能以及屈曲荷载。在理论分析的基础上提出了计算腹板开孔卷边槽形截面构件弹性整体弯曲失稳、弹性畸变屈曲以及弹性局部屈曲荷载的近似简化方法,简化方法计算结果与有限元分析结果对比表现出较高的精度,表明建议弹性屈曲荷载计算方法可用于开孔构件整体稳定承载力以及屈曲稳定系数的计算,能够代替复杂的有限元方法进行开孔构件弹性屈曲荷载的简化计算,易于用于工程设计。     

冷弯薄壁型钢多肢拼合柱轴压试验研究

针对单肢C形和U形截面及由其拼合而成的双肢和四肢截面冷弯薄壁型钢柱轴压承载力,进行了66根(共6种截面,5种长度)两端铰接的多肢拼合截面冷弯薄壁型钢柱轴压试验,研究了长细比、肢数及拼合形式对冷弯薄壁型钢多肢拼合柱轴压受力性能的影响。试验结果表明:长细比小于70的开口截面易发生畸变屈曲,闭口截面则发生局部屈曲;长细比大于70的试件则以整体屈曲破坏为主;随着试件的长度增加,其轴压承载力逐渐降低。相对于单肢截面,相同高度的拼合截面长细比减小,试件破坏形式随着长细比减小而从整体屈曲控制变为畸变屈曲和局部屈曲控制,轴压承载力提高。试验结果为多肢拼合截面柱设计计算提供了试验数据支持。     

冷弯型钢受弯构件非弹性屈曲试验

对名义厚度为2mm的30根冷弯薄壁型钢卷边槽形截面受弯构件进行非弹性屈曲试验研究,为了保证试件在非弹性阶段屈曲,试件整体弯曲屈曲应力大于三倍的材料屈服强度。试验结果表明冷弯薄壁型钢受弯构件在非弹性阶段会出现板件的局部屈曲以及构件的整体屈曲相关作用,我国现行规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》计算受弯构件在非弹性阶段的承载力过于保守,需对冷弯薄壁型钢受弯构件非弹性阶段承载力计算方法进行修正。     

冷弯薄壁G形截面柱轴压承载力研究

冷弯薄壁型钢柱可以做成多种截面形式,其中最常用、研究最多的是U形截面(又称槽形截面)和C形截面。然而,冷弯薄壁型钢柱在拥有自重轻、施工周期短等优点的同时,也容易发生屈曲破坏,不利于结构受力。以往的研究表明:带有复杂卷边的冷弯薄壁槽钢柱(又称G形截面柱)具有较高的极限承载力以及畸变屈曲临界应力。采用试验及有限元分析方法,对两端铰接G形截面柱的轴压受力性能进行研究。为了解不同截面尺寸以及构件长度对G形钢柱破坏模式和极限承载力的影响,对18根名义厚度为2.0 mm的冷弯薄壁G形截面柱进行了轴压试验,分析了构件的破坏模式、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线以及极限承载力。构件共有三种截面尺寸(名义腹板高度分别为150,200,300 mm),构件长细比的变化范围为15～70。试验前对构件的实际尺寸、材料属性和初始几何缺陷进行了测量。试验中观察到:名义腹板高度为150 mm的构件发生畸变屈曲破坏;对于名义腹板高度为200 mm和300 mm的构件,当构件长度小于或等于1 000 mm时,发生局部屈曲破坏,其余长度的构件发生局部与整体相关屈曲破坏,局部屈曲的半波长度与柱子腹板高度大致相等。然后在有限元分析软件ABAQUS中建立有限元模型对构件进行模拟,并基于试验结果验证了模型的准确性。随后利用验证后的有限元模型分析截面翼缘宽厚比、腹板高厚比和复杂卷边尺寸对冷弯薄壁G形截面柱极限承载力的影响。结果表明,G形截面柱极限承载力随着翼缘宽厚比以及复杂卷边尺寸的增加而增加,随着腹板高厚比的增加而降低。