《钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法》的理解与应用——稳定和长细比

钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构设计中,凡是钢结构的受压部位,在设计时都必须认真考虑其稳定性。根据《钢结构与钢-混凝土组合结构设计方法》,详细介绍了钢结构稳定验算的实质和注意事项,并结合钢结构稳定验算的实质,探讨了抗震构件和非抗震构件的容许长细比,给出了不同剩余抗弯能力比下的框架柱轴压比和长细比限值以及非抗震构件的容许长细比建议。最后介绍了《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)关于钢支撑容许长细比的规定依据。     

多层钢结构框架钢柱长细比设计探讨

随着社会经济的不断发展,建筑向高层化、艺术化、功能化发展。在建筑设计中,钢结构因抗震性能优良、结构承载力高及施工速度快等优势,在多层、高层与超高层建筑中获得广泛应用。然而在进行钢结构框架设计工作时,为满足设计效果,建筑设计师经常会对钢柱取尽可能小的截面,但钢柱截面较小,经常会引起钢柱长细比难以符合建筑框架设计的规范要求。在本文中,通过对多层钢结构框架钢柱长细比要求的分析,结合实际案例,对多层钢结构框架钢柱长细比设计工作进行了分析与探讨。     

在强风和中等地震区的高层钢结构的弹性抗震设计

风或地震等水平荷载是影响高层建筑设计的主要因素。该文重点研究了在强风和中等地震区的高层建筑的抗震设计问题。进行了地震反应分析和性能评估来考察根据风荷载设计的中心支撑高层钢结构是否符合这些区域的弹性抗震设计原则（或强度和刚度要求）。抗风设计和推覆分析结果表明,由于在进行抗风设计时,需满足抗风的正常使用要求导致的超强使得高层钢结构的弹性抗震承载力也大大增加。对承载力的需求／能力比的研究表明,由于抗风设计造成的结构超强,长细比大于4或5的高层结构可以在弹性范围内承受最大设计地震（MCE）,     

690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件承载力直接强度法研究

与有效宽度法和有效屈服强度法相比,直接强度法更简单.采用ANSYS有限元软件建立模型分析了名义屈服强度fv为690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件的极限承载力,并和直接强度法、修正的直接强度法相比较.主要参数:板件宽厚比b/t=23,30,40,50和60;构件长细比λ=20,30,40,50,60,70,80和90.研究结果表明:对fy=690MPa的薄壁方形截面(b/t＞20)轴压构件,采用直接强度法和修正直接强度法计算时,其稳定系数采用《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)中的a类曲线;对长细比70≤λ≤90的构件,3种方法均偏保守;对长细比20≤λ＜70的构件,在大部分宽厚比范围内,Kwon等提出的修正直接强度法能较好地预测有限元计算结果,直接强度法偏于不安全,Shen Hongxia提出的修正直接强度法偏安全.     

考虑屈曲的钢筋滞回性能试验研究

对不同长细比的钢筋进行反复荷载试验研究,考察不同长细比的钢筋在荷载幅值逐渐增大加载的性能变化规律.并采用ABAQUS有限元软件建立考虑屈曲影响的钢筋滞回模型与试验对比.结果表明:钢筋在拉压循环荷载作用下,长细比、塑性变形对其抗震性能产生影响,采用ABAQUS有限元软件建立考虑屈曲影响的钢筋滞回模型,为今后研究提供重要依...     

格构柱长细比计算

与目前的设计准则不同,将格构柱假定为超静定结构,可确定其长细比。解决格构楼屈曲问题一方面是利用大家就知的压杆长细比与临界荷载关系,另一方面,利用格构柱长细比与缀件刚度和缀材节点将格构柱肢件分成的节间段数的函数关系。得到的具有不同节间段数的格构柱长细比曲线相互间能区分,因此,不管节间段数为多少,修正长细比由缀件刚度唯一确定。通过相应于固定节间数的包络曲线,建立此关系。可根据格构柱的修正长细比,设计型钢格构柱。     

Q460高强度钢焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲有限元分析

采用有限元法分析了高厚比超限的Q460钢焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲的极限承载力,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比和荷载相对偏心率对其相关屈曲承载力的影响,提出了Q460钢焊接工字形截面压弯构件的局部和整体弯扭相关屈曲极限承载力修正计算公式。研究表明:有限元模型能够较好地模拟焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲极限承载力;腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比及荷载相对偏心率增大均会导致构件无量纲化极限承载力降低;基于《钢结构设计规范》(报批稿)GB 50017提出的修正公式计算值与有限元计算值吻合较好。     

中心支撑-框架钢结构设计与研究

对人字形中心支撑-框架结构的抗震设计进行研究。在不同的支撑长细比下,支撑受压屈曲后的强度退化程度是不同的。根据我国抗震规范规定的设计支撑强度的方法,当取不同的长细比λ时,会产生不同的结构初始刚度和变幅很大的强度值,且工程设计很复杂。为此,提出一新的支撑强度设计方法,并认为人字形中心支撑的强度是由一侧杆受压后屈曲强度与另一侧杆的受拉屈服强度两部分构成。新的设计方法确保了结构初始刚度和强度不受支撑长细比影响。建议方法的优点还在于其能够较好地控制最大层间位移角。最后,深入探讨了多层钢支撑-框架结构出现薄弱层的问题。     

高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析

采用直接强度法分析了近期完成的62根550 MPa高强冷弯薄壁型钢轴压柱的试验结果,提出了采用折减材料屈服强度为0.85fy,并根据修正长细比λc=λ0.85fy/235查《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB 50018-2002)中Q235钢稳定系数表来计算高强冷弯型钢轴压构件稳定承载力的计算方法。该建议方法计算值与试验结果吻合较好且偏于安全。     

薄腹工字形截面轴压构件有效面积计算方法比较

对各国规范以及Winter公式关于工字形截面构件有效宽度的计算公式进行简要介绍,并采用各国规范方法和有限元数值模拟对腹板不同宽厚比和构件不同长细比的工字形截面轴压构件有效面积进行计算和分析。结果表明:《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)在腹板宽厚比较大时有效面积过于保守,《钢结构设计规范》(GB50017—2003)、欧洲规范(E3-1.5:2006)对于长细比较大构件有效面积过于保守,《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002)、美国规范(AISC:2005)以及Winter公式与数值结果吻合较好,且有一定的安全度,建议对于薄腹工字形截面轴压构件有效面积可采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002)计算方法进行计算。     

输电铁塔用钢管及角钢构件经济性分析

以输电铁塔的角钢和钢管构件为研究对象,采用等强度理论即稳定承载力与强度承载力相等,对大规格角钢、普通双拼角钢、大规格双拼角钢、普通四拼角钢的临界长细比进行分析,提出角钢长细比取值建议及钢管构件经济性指标计算方法,在此基础上对不同钢材强度的钢管经济长细比进行分析,提出钢管长细比取值建议。分析结果表明:双排螺栓布置下4种截面临界长细比依次为33、40、33、43;钢管长细比小于40时,Q460性价比最优,长细比为40~120时,Q345性价比最优,长细比大于120时,Q235性价比最优。     

A numerical study on local buckling and energy dissipation of CHS seismic bracing

Seismic provisions for steel buildings present limiting width-thickness and slenderness ratios for bracing members, most of which were established based on experimental observations. A finite element study has been undertaken to evaluate these limits for pin-ended circular hollow section (CHS) steel braces. Uncertainties in modeling and quantification arise in the simulation of cyclic brace buckling. A finite element modeling procedure was developed and calibrated using existing experimental data. Sensitivity of the finite element analysis results to the uncertainties in modeling and quantification methods were studied in detail. A parametric study was conducted utilizing the calibrated modeling technique. Fifty four CHS brace models possessing different diameter-to-thickness ratios varying from 5 to 30 and slenderness ratios varying from 40 to 200 were analyzed. The effect of cyclic hardening modulus on the response of braces was explored. In all analysis, the models were subjected to reversed cyclic displacements up to ten times the yield displacement. In this paper, the results are presented in terms of the ductility level attained by the member at the onset of local buckling. It is shown that local buckling of the section is not only a function of the diameter-to-thickness ratio but is also influenced by the slenderness ratio of the member. Moreover, the amount of hardening modulus was found to affect the local buckling response significantly. The need to include this material property into seismic provisions is demonstrated. Finally, the hysteretic energy dissipated by the member was quantified for each displacement excursion.     

Performance of steel H columns loaded under uniform temperature

This paper presents the experimental results for a series of H steel columns under fire load. The width-to-thickness ratio of steel plates and the slenderness ratios of steel columns are two dominating factors linked to local buckling and global buckling of columns, respectively. To evaluate the influence of these two factors on the structural behavior of steel columns in fire conditions, a series of H steel columns were loaded to their limit states at specified temperature levels. The steady state method has been adopted in order to derive the structural behavior of steel columns at specified temperatures directly.On the basis of the experimental results, it has been found that steel columns with non-compact section are able to reach yield strength at elevated temperature. That is, the width-to-thickness ratio, designed in accordance with current ambient temperature specifications, is capable of preventing brittle failure of steel columns in fire conditions. Depending on the slenderness ratio, the failure of steel columns may change from global buckling at ambient temperature to local buckling at elevated temperature. For plastic section columns with a slenderness ratio greater than 50, column strength drops dramatically to 40% of its strength at ambient temperature. At temperature levels of 500 ^°C, the column retains more than 70% of its ambient temperature strength if the slenderness ratio of the column is less than 50. However, in the case of temperature levels exceeding 500 ^°C, or when the slenderness ratio is greater than 50, column strength drops significantly. On the basis of this study, it is tentatively suggested that 500 ^°C be adopted as the critical temperature for steel members subjected to compression in order to ensure that the column strength keeps higher than 2/3 of the ambient temperature yield strength. The slenderness ratio of steel columns should be limited to 50, so as to prevent brittle failure of steel columns under fire attack.     

卷边翼缘工形截面构件在轴心压力作用下的稳定承载力研究

与普通工形截面比较,卷边工形截面构件由于卷边的存在增强了翼缘的抗压屈曲能力,进而提高了截面的承载效率,是一种新型的薄壁截面构件。采用大挠度弹塑性板壳有限元分析方珐,对卷边工形构件在轴心压力作用下的稳定承载性能进行了研究。在考虑构件与板件几何初始缺陷和截面残余应力的情况下,研究了卷边工形截面参数(截面宽高比、腹板高厚比、翼缘宽厚比)与构件长细比的变化对轴心压力构件稳定承载性能的影响。最后,在大量数值分析结果的基础上,归纳总结出了卷边工形构件在轴向压力作用下的稳定承载力设计公式。     

钢支撑抗震性能设计及机理探讨

从钢支撑设计承载力验算方法和钢支撑杆件长细比限值特征的角度,对中国、美国和欧洲现行框架一中心支撑结构设计规范进行了分析和比较。综合分析结果表明,我国现行规范的框架-中心支撑对支撑板件的宽厚比和长细比特征的限制较严格,并采用了支撑杆件的设计内力增大系数和强度降低系数来强化支撑抗震性能。有关研究结果表明有关普通中心支撑框架结构和特殊中心支撑框架结构在弹塑性阶段的抗震性能及其相关问题还有待于深入研究。     

单角钢压杆的屈曲及稳定计算

在钢结构工程中经常采用等边或不等边单角钢作为轴心受压构件,现行钢结构设计规范(GB50017—2002)提供了等边单角钢压杆的截面类别及稳定计算方法,但对不等边单角钢压杆的规定相对粗糙。本文根据弹性稳定理论和角钢截面特征规律,推导了等边及不等边单角钢轴心受压构件的屈曲条件和长细比简化计算方法,并给出了稳定设计方法。扭转屈曲换算长细比仅与角钢肢宽与肢厚的比值有关,这使得弯扭屈曲换算长细比的计算也进一步简化。经过验证,该方法简单实用,可供工程设计参考。     

基于OpenSEES数值模拟的工字形截面支撑低周疲劳性能研究

为研究工字形截面支撑低周疲劳性能,进行了18根Q235和21根ST12材质焊接工字形钢支撑在等幅轴向循环位移作用下的OpenSEES有限元分析,在验证模拟结果和试验结果吻合较好的同时,提出利用支撑几何参数(长细比、宽厚比、高厚比、屈服点)修正的表征应变作为预测支撑低周疲劳寿命的控制参量,给出了对应修正公式和寿命预测公式。表征应变与支撑低周疲劳寿命满足对数线性关系,据此预测的支撑低周疲劳寿命离散性较小且基本位于试验值1.5倍分散带内。对于变幅加载条件下的支撑寿命预测,利用Miner线性损伤理论对39组支撑试验数据进行以裂纹萌生寿命为终止点的损伤值统计,给出了容许损伤建议值作为预测寿命对应损伤值。而后,引入5组单斜工字钢支撑框架低周疲劳试验结果进行验证,其预测寿命均接近试验裂纹萌生寿命,可以较为保守地评估该类支撑的低周疲劳寿命,且支撑截面损伤分布与试验破坏模式保持一致。以上均证明该数值模拟方法和低周疲劳寿命预测方法的准确性和高效性,可为框架支撑结构低周疲劳性能的研究提供借鉴。     

角钢、剖分T型钢压杆的弯扭屈曲(1)

单轴对称的角钢、Ｔ型钢压杆有必要做弯扭屈曲验算。计算方法宜采用换算长细比法。利用截面特性的近似值得出单角钢和双角钢构件的实用计算公式。这些公式虽然由弹性稳定理论导出,和非弹性范围内的试验结果也吻合较好。此外,通过对计算结果的分析,建议长细比不大的构件不宜用宽厚比大的型钢规格。     

压弯钢构件在循环荷载作用下的非线性弯扭屈曲

本文根据非线性有限元的基本理论,采用基于修正的拉格朗日法描述的八节点超参数壳体单元,考虑几何非线性和材料非线性,结合混合强化本构关系,编制了非线性有限元计算程序。对压弯钢构件在循环荷载作用下的弹塑性弯扭屈曲进行计算机模拟,系统分析了H形截面压弯钢构件的滞回特性,以及翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件轴压比和长细比对压弯钢构件弯扭屈曲的影响规律。通过对计算结果的比较,提出了强烈地震条件下,H形截面压弯钢构件在循环荷载作用下保持整体稳定,满足延性要求,具有较高屈曲后强度的长细比和板件宽厚比限值。