Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力参数分析

为研究现有钢结构设计规范是否仍适用于高强钢中厚板焊接箱形柱的设计,对Q460钢轴心受压柱的极限承载力进行了参数分析。采用数值积分法,并与有限元程序ANSYS的数值计算结果作进行对比。数值模型考虑了1/1 000柱长的初始弯曲及由相应截面尺寸残余应力试验提出的残余应力分布简化模型。试件的主要参数为截面宽厚比（7.8~17.2）与柱长细比（10~130）。计算结果表明：考虑相同初始缺陷的有限单元法与数值积分法所得计算结果吻合较好;与普通强度钢柱相比,初始几何缺陷对高强钢焊接箱形柱的极限承载力影响降低,柱的稳定系数提高;残余应力降低柱的稳定系数,但其影响效应随长细比变化。参数分析结果与现有规范计算结果对比表明,中厚板Q460高强钢焊接箱形柱,当宽厚比b/t≤20时,可采用高于普通强度钢柱的b类柱子曲线。     

Q460钢焊接H形柱轴心受压极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接H形柱的极限承载力,以国产Q460高强钢中厚板制作了6个足尺焊接H形柱进行轴心受压试验。6个H形柱均由火焰切割的21mm厚翼缘板与11mm厚腹板焊接而成。试件的主要参数为宽厚比(翼缘板宽厚比分别为3、5、7)与长细比(绕弱轴长细比分别为40、55、80)。为了考虑初始缺陷对轴压H形柱极限承载力的影响,以同样的焊接工艺制作了相同截面的短柱用于测量残余应力。试验结果表明,Q460高强钢焊接H形柱稳定系数适用于我国现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》中b类截面柱子曲线。以试件的实测尺寸、钢材的力学性能建立有限元模型,分析预测试件的极限承载力。有限元模型以初始缺陷的形式考虑试件的初始挠度、初始偏心及焊接残余应力影响。分析结果表明,考虑初始缺陷的有限元模型可以较准确地预测轴心受压柱的极限承载力。     

Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压力学性能数值分析

为了解国产Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压的力学性能,以数值积分法和有限单元法对7个已有焊接箱形柱轴心受压试验进行数值分析。试件宽厚比为8～12,长细比为35～70。数值模型中考虑了实测的初始挠度、初始偏心及简化的残余应力分布模型。分析预测Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压的极限承载力和荷载-挠度曲线。数值积分法分析结果与有限元分析结果吻合。为验证数值分析的准确性,将预测结果与已有试验结果进行对比发现,考虑残余应力、初始偏心、初始挠度的数值积分法与有限元分析可以准确地预测Q460钢焊接箱形柱受压力学行为。通过对比采用简化残余应力分布模型与采用实测残余应力分布模型的有限元分析结果,验证简化残余应力分布模型的准确性。     

高强钢焊接箱形柱受力性能研究(Ⅰ)：残余应力统一分布模型

现有高强钢焊接箱形截面残余应力分布模型仅适用于特定强度等级的高强钢,尚缺乏适用于不同强度等级高强钢的残余应力分布模型。为此,基于不同强度等级高强钢焊接箱形截面残余应力的已有试验,研究钢材的强度等级、板件厚度及宽厚比对残余应力分布和峰值的影响,提出不同强度等级高强钢焊接箱形截面的残余应力统一分布模型。该模型采用多重阶梯函数形状,适用于屈服强度460~960MPa的焊接箱形截面,且满足每个板件自平衡条件和对称性。将残余应力统一分布模型的形状、数值和已有试验结果进行对比,证明该模型的准确性。在基于纤维模型的极限承载力数值分析中,分别采用残余应力统一分布模型和已有分布模型计算高强钢焊接箱形柱的受压承载力,并将各自得到的极限承载力与已有试验结果进行对比。研究结果表明,采用残余应力统一分布模型后,不同等级高强钢焊接箱形柱的纤维模型计算能更准确地预测其极限承载力。残余应力统一分布模型可为不同等级高强钢焊接箱形柱的二阶非弹性分析提供参考。     

Q460高强钢焊接H形柱轴心受压极限承载力参数分析

为了研究现行钢结构设计规范是否仍适用于高强钢中厚板焊接H形柱的设计,采用数值积分法与有限单元法对Q460钢轴心受压柱的极限承载力进行了参数分析。试件的主要参数分别为翼缘宽厚比(3.4⁷.0)与柱长细比(107.0)与柱长细比(10¹30)。数值积分法计算采用作者编制的电算程序,并与通用有限元程序ANSYS的计算结果进行了对比。数值模型考虑了1/1 000柱长的初始弯曲及相应截面的残余应力分布简化模型。计算结果表明:考虑相同初始缺陷的有限单元法与数值积分法所得计算结果吻合较好;Q460高强钢焰割边焊接H形柱与普通强度钢柱相比,其极限承载力对初始几何缺陷的敏感性降低,柱的稳定系数有所提高。通过对比参数分析结果与现行规范,发现当翼缘宽厚比不小于7时,中厚板Q460高强钢焰割边焊接H形柱绕弱轴稳定系数仍可沿用《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中b类截面柱子曲线;当翼缘宽厚比小于7时,应采用c类截面柱子曲线。     

Q460高强钢焊接箱形压弯构件极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接箱形压弯构件的整体失稳极限承载力,采用11mm厚国产Q460高强钢中厚板制作7个焊接箱形压弯试件,试件截面宽厚比分别为18、12、8,长细比分别为35、55、80。试验内容包括:Q460低合金高强钢的材性试验,三种焊接截面残余应力测试,各试件初始几何缺陷测量及极限承载力试验,从而进行了面内整体失稳压弯构件的极限承载力试验研究;并且把试验结果与我国现行钢结构设计规范计算值相比较。试验研究结果表明:Q460低合金高强钢材性具有高强度,塑性性能良好等特点;Q460高强钢焊接箱形截面残余应力分布形式与普通钢材箱形焊接截面分布基本相同,但是残余应力比降低;压弯构件极限承载力试验结果明显高于现行钢结构规范设计公式计算值,所以应对Q460高强钢焊接箱形压弯构件进行近一步参数分析研究,并得出其实用设计方法。     

高强钢焊接方形截面偏压构件整体和局部相关屈曲承载力分析

采用有限元软件ANSYS分析了Q460钢宽厚比超限的焊接方形截面偏压构件的极限承载力,研究了板件宽厚比、构件长细比和偏心距对构件极限承载力的影响。基于数值模拟结果,提出了适用于Q460钢宽厚比超限焊接方形截面偏压构件极限承载力的计算方法。研究结果表明,考虑几何缺陷及残余应力的有限元模型能准确地预测焊接箱形截面偏压柱局部-整体相关屈曲的极限承载力;宽厚比超限的高强钢压弯构件的Pu/Py与Mu/Mp相关曲线基本为直线,且随着板件宽厚比(或构件长细比)的增大,Pu/Py和Mu/Mp不断下降。提出的建议计算方法与有限元计算结果符合良好。     

Q460高强度钢材焊接H形截面弱轴压弯柱承载力试验研究

为了研究高强度钢材中厚板焊接H形截面压弯柱的承载力,采用国产Q460高强度钢材11 mm、21 mm中厚板制作了6个焊接H形截面压弯柱,试件截面自由外伸翼缘板宽厚比分别为7、5、3,长细比分别为40、55、80。通过对Q460低合金高强度钢材的材性测试、3种焊接截面残余应力测试、各试件初始几何缺陷测量及承载力试验,进行了H形截面弱轴压弯构件整体失稳承载力的试验研究,并与采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行计算的承载力对比;同时以理想弹塑性模型,综合考虑试件初始缺陷建立有限元模型,分析计算其承载力。试验及分析结果表明：Q460低合金高强度钢材具有强度高、塑性性能较好等特点;由实测截面残余应力值得到其分布形式与普通钢材焊接H形截面残余应力分布基本相同;高强度钢材焊接H形截面压弯构件承载力试验值明显高于GB 50017-2003设计公式计算值;文中采用的有限元分析方法可以较准确地计算试件的承载力。研究成果为高强度钢材在实际工程中的应用提供试验参考。     

国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆整体稳定承载力研究

为了研究国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆的整体稳定承载力,用厚度为8mm和12mm的国产Q460高强度钢板制作了3根焊接T形截面试件进行轴心受压试验。基于实测的钢材力学性能、截面残余应力和试件几何尺寸,建立考虑了初始几何缺陷和力学缺陷的有限元模型,分析预测试件的极限承载力,并将有限元结果与试验结果进行对比,验证有限元分析方法的正确性。利用经试验验证的有限元分析方法,补充计算了24根不同长细比压杆的整体稳定极限承载力,将相应的整体稳定系数与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中的柱子稳定系数曲线进行比较。研究表明,国产Q460高强钢焊接T形截面轴心压杆的整体失稳形式为绕对称轴的弯扭失稳,失稳时压杆进入了弹塑性变形阶段,在设计过程中选取b类截面柱子曲线对其进行计算是安全可靠的。     

Q460高强钢焊接H形柱轴心受压力学性能数值分析

为了考察国产Q460高强钢焊接H形柱的轴心受压力学性能,对6个已有焊接H形柱的轴心受压试验进行了数值分析。数值分析采用作者编制的数值积分法电算程序和通用有限元软件ANSYS。以考虑了实测初始挠度、初始偏心及简化残余应力分布的数值模型,计算Q460高强钢焊接H形柱轴心受压的极限承载力与荷载-挠度曲线。发现数值积分法与有限单元法所计算试件的荷载-挠度曲线基本重合。为了验证数值模型的准确性,将数值分析结果与已有试验结果进行对比;并通过对比简化残余应力分布模型与实测残余应力分布对试件极限承载力、荷载-挠度曲线的影响,检验简化残余应力分布模型的准确性。结果表明:考虑了初始几何缺陷及简化残余应力模型的数值积分法与有限单元法均可较为准确地预测Q460钢焊接H形柱的受压力学行为。采用简化残余应力模型预测Q460钢焊接H形柱极限承载力较实测残余应力分布偏保守。     

Tests and numerical study of ultra-high strength steel columns with end restraints

High strength steels with the nominal yield strength more than 460 MPa have begun to be applied in the construction of many steel structures, but there are short of sound researches on the major axis buckling behavior of such steel welded I-section columns, especially for the ultra-high strength steels having the nominal yield strength more than 690 MPa. In this paper, the experimental research is described on the overall buckling behavior about the major axis of ultra-high strength steel compression I-section columns with end restraints. In this research 8 columns made from 2 kinds of ultra-high strength structural steels S690 and S960, with nominal yield strengths of 690 MPa and 960 MPa, respectively, were tested. Based on the test results, the finite element analysis (FEA) model was validated to analyze this behavior of ultra-high strength steel columns, and the buckling strength of pin-ended columns fabricated from such steels were calculated by the verified FEA model, which were compared with the design buckling strengths according to the Eurocode 3, the American specification for structural steel buildings ANSI/AISC 360–05, and the Chinese codes for steel structures design GB50017-2003 respectively. It shows that the major axis nondimensional buckling strengths of the ultra-high strength steel compression columns, whose buckling curve is type b according to Eurocode 3 and GB50017-2003, are much higher than that calculated according to the column curve b, even higher than the curve a₀ in Eurocode 3 and the curve a in GB50017-2003 on average, and they are also higher than the design values according to ANSI/AISC 360–05. It is therefore indicated that the buckling strength about the major axis of the ultra-high strength steel I-section columns is improved a lot compared with the ordinary strength steel columns on a non-dimensional basis, and the column curve a₀ and curve a can be adopted to design this behavior in Eurocode 3 and GB50017-2003, respectively. Besides, there is no obvious difference between the major axis nondimensional buckling strengths of the pin-ended I-section columns fabricated from these two kinds of ultra-high strength steels: S690 and S960. These research works will provide the test basis to complete the buckling design method and theory of the ultra-high strength steel columns, and also be helpful for the application of ultra-high strength steel structures.     

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。     

Q460C高强度钢柱滞回性能有限元分析

为进一步研究Q460C高强度钢柱的滞回性能,在已有试验研究的基础上,采用通用有限元分析软件ANSYS建立了数值模型,对Q460C高强度钢材焊接箱形和H形截面柱在常轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能进行模拟,并研究了残余应力对高强度钢试件滞回性能的影响。将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,两者吻合较好。研究结果表明：采用提出的Q460C高强度结构钢滞回模型进行有限元分析,能较为准确的预测Q460C高强度钢材焊接H形和箱形柱的滞回性能;试件内残余应力对Q460C高强度钢材焊接H形和箱形截面柱的滞回性能影响较小。     

460MPa高强钢柱整体屈曲性能:试验研究及设计方法

受压柱的整体屈曲性能是钢结构研究的重要课题之一,尤其是近几年来应用越来越多的高强钢。对460MPa高强受压构件的整体屈曲性能进行试验研究。对包括焊接箱形截面和I形截面的12根钢柱进行试验。测量构件的残余应力、初弯曲和加载偏心率等初始缺陷。结合试验结果研究其屈曲变形和屈曲承载力。建立有限元模型,并与当前及以往研究中考虑初始缺陷的试验数据进行对比。采用经过验证的模型对大量不同截面尺寸和不同长度的柱的屈曲承载力进行估算,并将计算结果与其他钢结构规范的设计值进行对比。结果表明:460MPa高强钢柱,其无量纲屈曲强度与普通强度钢柱相比明显提高,并给出了相应的柱曲线和设计公式。     

Overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel columns: Experimental investigation and design method

Overall buckling behavior of compression columns is one of the most important research subjects in steel structures, especially for high strength steel which has been increasingly applied in recent years. An experimental investigation was carried out to study the overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel compression members. Totally twelve columns including welded box and I-sections were comprised. The initial imperfections such as the residual stress, initial bending and loading eccentricity were all measured. Based on experimental results the buckling deformation and capacity were investigated. A finite element model was established and further validated by comparing with the test data in both present study and other previous researches, in which initial imperfections were taken into account. A large number of columns with various section dimensions and lengths were calculated by using the validated model, and their buckling capacities were compared with design values according to different steel structures specifications. It was found that the nondimensional buckling strength of such 460 MPa high strength steel columns were significantly improved compared to normal strength steel columns, and corresponding column curves and design formulae were suggested.     

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。     

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。     

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。