Q550 GJ高强钢焊接H型截面残余应力试验研究

为了推动高强结构钢Q550GJ在我国钢结构工程中的应用,研究了Q550GJ高强钢焊接H型截面试件的残余应力分布规律.首先试验研究了Q550GJ钢材的力学性能,其屈服强度、抗拉强度和伸长率符合国家现行规范,屈强比小于0.85.然后设计和加工了7个Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验.研究了Q550GJ高强结构钢焊接H型截面构件的残余应力分布规律,分析了不同参数的影响.研究结果表明:翼缘中部和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,但没有达到钢材的屈服强度,且随着宽厚比的变化呈不规律变化;翼缘外伸部分中部和腹板中部都呈现基本恒定的残余压应力;残余压应力随着板件宽厚比的提高而相应减小;其余部位是从残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域.     

受压T肋加劲板翼缘的局部稳定性能

为研究T形肋加劲板翼缘的受压局部稳定性能,考虑翼缘宽厚比的变化,设计制作5个Q345和4个Q420钢材强度的焊接T形肋加劲板试件进行翼缘局部稳定轴压试验,并建立有限元模型进行验证,分析不同材料本构、简化焊接残余应力、局部初始几何缺陷对其受力性能的影响,得到翼缘局部稳定简化计算公式。结果表明：翼缘局部稳定试件与有限元模型均在翼缘1/2高度附近发生局部屈曲破坏,翼缘宽厚比越大,试件出现局部屈曲变形越早。有限元计算模型采用理想弹塑性本构模型模拟,随着翼缘相对宽厚比增大,残余应力的计入降低了构件轴向刚度;所有板件均计入局部初始缺陷时的稳定系数最小。采用三次多项式拟合的翼缘局部稳定简化公式曲线与欧洲规范曲线的趋势较为接近,而采用Perry公式拟合的曲线与中国、美国规范曲线的趋势较为接近。不同钢材强度拟合的公式曲线趋势基本一致,可以推荐采用Perry公式拟合的曲线进行计算。     

轴心压杆局部稳定试验研究

本文主要研究工字型截面轴心受压柱腹板和翼缘宽厚比的限值规定。进行了24根局部和整体屈曲试件的试验。根据试验结果,在板件临界应力中,分析了嵌固、残余应力等因素的影响。当应力超过比例极限后,采用了有效模量值。轴心受压柱整体屈曲应力,考虑初曲和残余应力的影响,对 TJ7—74设计规范公式作了修正。根据整体和局部屈曲等稳定条件,确定了腹板和翼缘的宽厚比限值,并表示为构件长细比的函数。文章还给出了简化的直线表达式,以便于实际设计应用。     

高强钢焊接薄腹矩形管截面压弯构件平面内的极限承载力

本文采用ANSYS有限元软件建立模型分析了高强钢(名义屈服强度为460 MPa)腹板高厚比超限的焊接矩形管截面偏压构件的极限承载力,以及构件长细比、腹板高厚比、翼缘宽厚比和相对偏心率对极限承载力的影响,提出腹板高厚比超限高强钢压弯构件平面内极限承载力计算公式.研究表明:考虑初弯曲和残余应力影响的双重非线性有限元模型能够很好地模拟高强钢焊接箱形截面偏心受压构件的局部-整体相关屈曲;高强钢薄腹矩形管截面压弯构件平面内无量纲化极限承载力Pu/(Afy)与构件长细比、腹板高厚比和翼缘宽厚比近似为线性关系;高强钢薄腹矩形管截面偏压构件的轴力和弯矩相关曲线近似为直线;按边缘纤维屈服准则推导的公式经过修正之后可用于计算高强钢压弯构件局部-整体相关屈曲的极限承载力.     

高强Q690钢柱高温下轴心受压局部稳定设计方法

局部屈曲是钢结构构件的一种破坏模式,钢结构发生局部屈曲破坏时,屈曲应力小于钢材的屈服强度。为了研究高温下高强Q690钢柱的局部稳定性能,采用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,模型采用其他学者完成的Q460钢柱轴心受压局部屈曲试验进行验证,考虑宽厚比、温度、初始缺陷、残余应力和翼缘与腹板之间相互作用的影响,对高强Q690钢柱进行参数分析。研究结果表明：宽厚比对局部屈曲有显著影响,宽厚比的增大导致试件极限承载力的降低;初始缺陷和残余应力对局部屈曲应力有较大影响,且试件的极限承载力随着温度的升高而明显下降。基于有限元分析结果提出了适用于高强Q690钢柱高温下的局部稳定设计方法和宽厚比限值,并与GB 50017-2017、Eurocode 3和ANSI/AISC 360-10中的设计方法进行了比较。     

厚板焊接工形截面柱残余应力的有限元分析

确定厚板焊接柱φ曲线的关键是得出焊接残余应力的分布。本文根据热弹塑性应力理论,用有限元法分析了厚板焊接工形截面柱的残余应力。分析结果表明,厚板焊接工形截面残余应力的大小及分布,除了与焊接输入热量有关外,尚与截面几何尺寸有关。翼缘为轧制边的厚板工形截面中,残余压应力主要分布在两个翼缘上,而腹板上压应力较小。     

高强冷弯薄壁型钢帽形截面简支檩条局部屈曲性能研究

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进行受弯试验分析其局部屈曲性能,并采用有限条程序CUFSM对这两种简支檩条局部屈曲应力进行计算分析,计算结果与试验值吻合较好。采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《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）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。     

工形截面纯弯曲梁翼缘腹板的相关屈曲 

考虑截面部分塑性及残余应力的影响，对焊接工形截面纯弯曲梁板件的相关屈曲进行了有限元分析。结果表明：翼缘对腹板屈曲的嵌固系数与截面几何多数及塑性开展深度有关，并非定值。试验结果基本上验证了理论分析。对工形截面梁腹板屈曲的嵌固系数提出了较精确的计算公式。     

工形截面纯弯曲梁翼缘腹板的相关屈曲

考虑截面部分塑性及残余应力的影响，对焊接工形截面纯弯曲梁板件的相关屈曲进行了有限元分析。结果表明，翼缘对腹板屈英的嵌固系数与截面几何参数及塑性开展深度有关，并非定值。试验结果基本上验证了理论分析。对工形截面梁腹板屈曲的嵌固系数提出了较精确的计算公式。     

矩形钢管截面延性等级和板件宽厚比相关关系

利用ANSYS软件建立矩形钢管截面有限元模型,对压弯荷载作用下的模型进行非线性分析,得到截面弯矩—曲率曲线.采用曲率定义截面延性,分析残余应力、初始几何缺陷、模型长高比、板件厚度比、板件宽厚比对截面延性的影响,并拟合得到通用宽厚比和截面延性系数的关系式.根据地震力计算时采用的结构影响系数大小划分钢管截面的延性等级.区分结构影响系数中是否考虑结构超强的影响,给出各级截面的结构延性需求和截面延性需求,利用截面延性系数计算公式反推相对应的通用宽厚比分界.引入板件宽厚比的比值和钢管截面屈曲系数,将通用宽厚比分界转换成组成截面的板件宽厚比相关关系,并提出相关关系计算公式.结果表明,残余应力和初始几何缺陷对截面延性影响不大,当屈曲半波数大于1之后,长高比对截面延性的影响也可以忽略.腹板和翼缘板间的相互作用对截面延性影响较大,在划分截面延性等级时,需采用板件宽厚比相关关系的形式.     

结构钢焊接残余应力三维有限元分析

对结构钢板对接焊接及腹板与翼缘角焊缝连接的工字型截面梁进行三维有限元模拟,分析了焊接温度场、残余应力分布及残余变形。有限元计算结果与试验结果比较吻合,证实了计算模型的有效性。计算结果表明:焊接热影响区存在较大的三向残余应力,且纵向残余应力大于横向残余应力,对结构局部受力将产生较大影响,但由于焊接残余应力是自平衡的,故焊接残余应力的存在对钢材宏观受力影响不大。     

北美规范与中国规范关于冷弯薄壁型钢C形截面受压构件设计的比较

对比了北美规范CSA S136-07和中国规范GB 50018-2002中关于冷弯薄壁型钢C形截面轴压构件的名义轴压强度。首先介绍了北美规范和中国规范计算名义轴压强度的方法,然后针对控制构件名义轴压强度的2个主要参数,即屈曲应力和有效截面面积,对2本规范进行了深入对比,最后对典型C形墙架柱名义轴压强度进行了比较。研究结果表明：2本规范具有相同的屈曲应力,但依据2本规范计算的有效截面面积却不同;一般来说,根据GB 50018-2002计算的翼缘有效宽度远小于根据CSA S136-07计算的结果,然而依据CSA S136-07计算的腹板有效宽度则略小于依据GB 50018-2002计算的结果;2本规范名义轴压强度不同主要由C形截面翼缘和腹板有效宽厚比不同引起;当翼缘的宽厚比不小于17．8时,构件名义轴压强度的不同主要由翼缘有效宽厚比控制,根据GB 50018-2002计算的名义轴压强度小于根据CSA S136-07计算的结果;当翼缘的宽厚比小于17．8时,构件名义轴压强度的不同则主要受腹板有效宽度控制,依据GB 50018-2002计算的名义轴压强度略大于依据CSA S136-07计算的结果。     

薄柔H形截面钢构件短柱轴压试验研究

随着轻钢结构的推广与应用,具有良好经济效益和环保性能的薄柔H形截面钢构件在轻量化低多层钢框架体系中的应用受到广泛关注.为研究薄柔H形截面钢构件的轴向力学性能,以宽厚比作为主要控制参数调整板件的相对强弱关系,采用Q355B钢材设计制作了6根焊接H形截面短柱,并对其进行了轴压试验.分析了试件的破坏过程、屈曲特征、延性以及极限承载力等.试验结果表明：不同宽厚比组配下H形截面钢构件局部屈曲特征差异明显,而局部屈曲特征直接影响了板件的应力发展;同时构件的延性与宽厚比组配直接相关,呈现两种典型特征;规范ANSI/AISC360-16对于薄柔H形截面轴压构件的计算结果偏于保守,合理的宽厚比组配下薄柔H形截面钢构件具有较强的屈曲后承载力.     

高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定性

应用ANSYS有限元,分析了Q460高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定性能,提出了可供实际应用参考的设计公式。分析中考虑的主要参数有腹板高厚比,构件长细比,翼缘宽厚比及荷载偏心率。结果表明,对受压为主的构件,腹板局部屈曲对构件稳定承载力影响较大,而对受弯为主的构件,这一因素对构件稳定承载力影响较小。有限元分析结果与现行规范方法计算结果比较表明,目前规范方法尚不能较好地计算高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定承载力,因而提出了修正直接强度法,该法精度较好且偏于安全。     

部分T型钢轴压杆件的腹板宽厚比限值研究

通过对部分T型钢局部屈曲相关性的分析,指出了规范中其腹板宽厚比限值过于保守,考虑了翼缘对腹板提供约束,在对规范GBJ17－88中的部分T型钢截面的计算结果上,提出了腹板宽厚比限值的计算公式,用于剖分T型钢轴心压杆设计。     

腹板连接节点焊缝应力强度因子的参数分析

为定量的确定荷载作用下钢框架结构延长翼缘连接板梁柱腹板连接节点焊缝应力强度因子的大小,采用断裂力学与有限元积分相结合的方法,研究腹板连接节点的断裂性能.判断延长翼缘连接板腹板连接节点焊缝开裂的依据是Ⅰ型应力强度因子,应力强度因子可以通过有限元计算J积分的方法求得.通过有限元计算分析了初始裂纹深度、梁截面尺寸、柱截面尺寸和梁柱长度对延长翼缘连接板腹板连接节点焊缝应力强度因子的影响.采用正交设计法进行研究方案设计,根据有限元分析结果归纳出应力强度因子计算公式.研究结果表明：延长翼缘连接板腹板连接节点梁下翼缘焊缝比上翼缘更容易开裂,应力强度因子随梁截面参数的增大而增大,随柱截面参数的增大而减小.     

超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体稳定的有限元分析

目的运用有限元方法分析计算超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定受力特性的准确性和可靠性,以及残余应力的影响.方法运用通用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型,准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷,对11个超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱的整体稳定受力特性进行了有限元分析,并与相应的试验结果进行对比.结果有限元计算得到的承载力与试验实测结果的平均误差〈4%,且标准差〈5%.残余应力的2种变化对整体稳定承载力的影响〈3%.结论建立的有限元模型能够准确地分析计算超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性,为进一步运用该有限元模型对各种截面的超高强度钢材轴心受压柱的整体稳定受力特性进行分析计算提供了正确性依据.残余应力的变化对超高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱整体稳定承载力的影响较小,可能采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数.     

考虑残余应力影响的蜂窝梁畸变屈曲性能研究

基于蜂窝梁残余应力的试验研究成果和普通工字钢梁的残余应力分布研究成果,给出了蜂窝梁的残余应力分布模型,并与已有试验研究结果对比,以验证该模型的正确性。通过分析梁的长度、翼缘厚度和宽度等对蜂窝梁畸变屈曲临界荷载的影响规律,进一步探索了残余应力对蜂窝梁畸变屈曲荷载的影响程度及简化考虑残余应力影响的计算方法。研究结果表明：翼缘宽度和厚度对蜂窝梁畸变屈曲临界荷载影响较大,而腹板厚度对蜂窝梁畸变屈曲临界荷载影响较小;提高钢材强度可在一定程度上提高蜂窝梁畸变屈曲临界荷载,但残余应力的影响程度会相应增大;提出采用折减系数Kd=0.85来计算蜂窝梁畸变屈曲荷载中的残余应力影响,该方法安全且简便,便于实际工程应用。     

约束高强度Q460钢梁的抗火性能

为了研究约束高强度Q460钢梁的抗火性能,在已有约束钢梁分析理论的基础上,引入残余应力,提出了约束钢梁的抗火性能分析方法,并采用普通强度约束钢梁试验数据对分析方法进行了验证。考虑高强度Q460钢材高温下力学性能参数,利用所提出的方法分析了约束高强度Q460钢梁的抗火性能,并与普通强度Q345钢梁进行了对比。对影响约束高强度Q460钢梁的抗火性能参数进行了分析,包括荷载比、残余应力、轴向约束刚度、转动约束刚度和受火方式等。研究表明:所提出的分析方法准确可靠,高强度Q460钢梁抗火性能与普通强度钢梁具有较大的区别,高强度Q460约束钢梁的抗火性能明显优于普通强度约束钢梁。荷载比、轴向约束刚度、转动约束刚度、受火方式对高强度Q460约束钢梁有较大影响。     

钢框架十字型刚性节点滞回性能分析与设计

为研究钢框架十字型刚性节点构件的滞回性能,以轴压比、H型钢柱腹板厚度、钢梁截面形式及加劲肋为参数,设计8组钢框架十字型刚性节点和1组T型刚性节点;基于简化的力学模型和材料的本构关系,利用ABAQUS软件建立有限元模型,分析节点试件的滞回性能;通过与已有的T型刚性节点试验结果对比,两者吻合较好,验证有限元模型的合理性.开展十字型节点仿真分析,提取节点荷载—位移滞回曲线、包络图、骨架曲线和应力云图,获得柱轴压比、H型钢柱腹板厚度、钢梁截面形式及加劲肋对该类节点抗震性能的影响规律,并对轴压比、柱腹板与翼缘厚度比提出设计建议.结果表明:柱轴压比设计限值建议取为0.5,柱腹板与翼缘厚度比设计限值建议取为0.75.当截面形式为H型钢时,十字型刚性节点的抗震性能良好,并且优于截面形式为钢管的,节点域设置横向加劲肋可有效提高节点的抗震性能.