基于等效刚度的蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载计算方法

蜂窝梁是在梁腹板上开有连续规则孔洞的一种钢梁,腹板开孔后对其抗侧刚度有较大的削弱,因此整体稳定性能是蜂窝梁的重要问题。基于能量法推导出实腹梁弯扭屈曲临界荷载的计算式,采用等效刚度的方法,通过等效侧向抗弯刚度、等效翘曲刚度和等效扭转刚度推导了蜂窝梁的弯扭屈曲临界荷载的计算式。其次,考虑蜂窝梁截面尺寸、跨度、开孔率和距高比的影响,采用有限元方法对圆形孔和六边形孔蜂窝梁的弯扭屈曲进行了分析,得到了蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载的变化规律,并验证了蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载计算式的正确性,可为蜂窝梁的整体稳定设计提供参考。     

圆孔蜂窝梁的弯扭屈曲分析

为了对纯弯状态下圆孔蜂窝梁的弯扭屈曲进行研究,将蜂窝梁翼缘和腹板分离,采用有限元软件ANSYS对蜂窝梁开圆孔腹板进行侧向纯弯分析,由挠度-刚度关系反算侧向刚度,得出开孔腹板相对于实心腹板的刚度折减系数ky。考虑开孔腹板的径高比和距高比,经拟合给出了刚度折减系数ky的计算公式,用该系数对蜂窝梁的自由扭转刚度进行修正,代入实腹工字截面梁弯扭屈曲临界弯矩计算公式,得到蜂窝梁的相应计算公式。最后利用该公式分别对不同跨度、不同孔况的简支蜂窝梁在纯弯状态下的弯扭屈曲临界弯矩进行计算,并与有限元分析结果进行对比。分析结果表明,修正后的临界弯矩计算公式具有较高精度。     

正六边形孔蜂窝钢梁的整体稳定研究

通过将双轴对称工字形截面的正六边形孔蜂窝梁的等效刚度代入当量实腹梁弯扭屈曲临界弯矩值的公式中,得到蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩值公式。为考虑开孔引起的剪切变形对蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载值的影响,并验证所得蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载公式的正确性,通过与有限元软件计算同尺寸的蜂窝梁得到的弯扭屈曲临界弯矩相比较,证明了所推公式具有满足工程所需的精度。最后为方便工程应用,对蜂窝梁整体稳定性计算公式进行了改进。     

纯弯曲蜂窝梁弯扭屈曲的有限元分析

为了研究蜂窝梁纯弯状态下的弯扭屈曲，笔者利用有限元软件ANSYS对两种不同截面的H形钢梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界弯矩进行了分析，对所得到结果与理论公式计算的结果进行了比较，结果吻合的较好，这表明所选单元及计算方法的正确性。根据这一结果，笔者认为蜂窝梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界荷载也可以采用该软件进行模拟分析。然后，对开孔率相同跨度不同以及跨度相同度开孔率不同的蜂窝梁进行了计算，并对计算结果与原型钢进行了比较分析。分析结果表明，蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩略高于原型钢钢梁，其值随着开孔率的逐渐增加而降低，但是开孔率的影响并不十分明显。     

纯弯曲蜂窝梁弯扭屈曲的有限元分析

为了研究蜂窝梁纯弯状态下的弯扭屈曲,笔者利用有限元软件ANSYS对两种不同截面的H形钢梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界弯矩进行了分析,对所得到结果与理论公式计算的结果进行了比较,结果吻合的较好,这表明所选单元及计算方法的正确性。根据这一结果,笔者认为蜂窝梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界荷载也可以采用该软件进行模拟分析。然后,对开孔率相同跨度不同以及跨度相同度开孔率不同的蜂窝梁进行了计算,并对计算结果与原型钢进行了比较分析。分析结果表明,蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩略高于原型钢钢梁,其值随着开孔率的逐渐增加而降低,但是开孔率的影响并不十分明显。     

正弦波纹腹板工形截面悬臂钢梁的弹性整体稳定研究

分析了上翼缘作用均布荷载的正弦波纹腹板悬臂钢梁的整体稳定性能影响因素,并对构件的弹性弯扭屈曲荷载的计算方法进行了探究。借助有限元分析软件ABAQUS计算了构件弹性弯扭屈曲临界荷载,比较了不同情况下构件的弹性弯扭屈曲临界荷载,确定了影响因素及影响大小。尝试根据已有的研究寻找计算正弦波纹腹板悬臂钢梁的稳定承载力的方法,并将计算结果与有限元解进行了对比,检验了计算方法的可行性。结果表明:腹板波长对波纹腹板悬臂钢梁整体稳定性能影响最大,腹板波长变化几乎没有影响;减小翼缘尺寸能够凸显出波纹腹板悬臂钢梁的优势;根据已有理论计算正弦波纹腹板悬臂钢梁的整体稳定存在较多问题。     

考虑侧向支撑刚度影响的蜂窝钢梁临界弯矩计算研究

钢梁可通过设置侧向支撑并控制间距避免其发生整体弯扭屈曲,支撑刚度会对钢梁的临界弯矩产生影响。利用有限元方法研究了不同侧向支撑刚度下蜂窝钢梁临界弯矩。研究结果表明,随着侧向支撑刚度的增加,蜂窝钢梁临界弯矩亦逐渐增加;但当支撑刚度达到临界支撑刚度后,随着侧向支撑刚度的增加钢梁临界弯矩不变。根据参数分析结果,提出了根据支撑间距确定临界支撑刚度的简化计算公式。     

考虑侧向支撑刚度影响的蜂窝钢梁临界弯矩计算研究

钢梁可通过设置侧向支撑并控制间距避免其发生整体弯扭屈曲,支撑刚度会对钢梁的临界弯矩产生影响。利用有限元方法研究了不同侧向支撑刚度下蜂窝钢梁临界弯矩。研究结果表明,随着侧向支撑刚度的增加,蜂窝钢梁临界弯矩亦逐渐增加;但当支撑刚度达到临界支撑刚度后,随着侧向支撑刚度的增加钢梁临界弯矩不变。根据参数分析结果,提出了根据支撑间距确定临界支撑刚度的简化计算公式。     

腹板开孔冷弯卷边槽钢受弯构件弹性屈曲

采用理论和有限元方法分析腹板开孔冷弯薄壁型钢受弯构件弹性整体弯扭失稳、弹性畸变屈曲失稳以及弹性局部屈曲失稳的屈曲荷载。通过理论分析提出计算腹板开孔卷边槽形截面受弯构件弹性整体弯扭失稳、弹性畸变屈曲失稳以及弹性局部屈曲失稳荷载的简化计算方法,通过与有限元计算结果进行对比,近似简化方法计算结果与有限元分析结果比较接近,表明建议弹性屈曲荷载计算方法具有较高的精度,可用于开孔受弯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,易用于工程设计。     

复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩研究

基于由完备的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲总势能方程推导的平衡微分方程,采用Galerkin法推导了考虑横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式,建立了等效弯矩系数的计算理论。依据等效弯矩系数的计算理论确定了7种常见工况的等效弯矩系数理论计算式并给出了6种特殊工况的Cb实用计算式,从Cb计算式的计算精度、适用范围和形式三个方面对国内外文献的Cb计算式进行对比,验证了等效弯矩系数理论的正确性并提出了Cb计算式的选用准则,最后通过2个数值算例验证了复合荷载作用下钢梁临界弯矩Mcr计算式的正确性和Cb计算式选用准则的合理性。结果表明：考虑了横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式形式简单、物理意义明确且便于计算;Cb实用计算式的适用范围广且精度高;等效弯矩系数的选用准则合理、有效。     

Finite strip elastic buckling solutions for thin-walled metal columns with perforation patterns

Approximate finite strip eigen-buckling solutions are introduced for local, distortional, flexural, and flexural-torsional elastic buckling of a thin-walled metal column with perforation patterns. These methods are developed to support a calculation-based strength prediction approach for steel pallet rack columns employing the American Iron and Steel Institute׳s Direct Strength Method, however they are generally posed and could also be useful in structural studies of thin-walled thermal or acoustical members made of steel, aluminum, or other metals. The critical elastic global buckling load including perforations is calculated by reducing the finite strip buckling load of the cross-section without perforations using the weighted average of the net and gross cross-sectional moment of inertia along the length of the member for flexural (Euler) buckling, and for flexural-torsional buckling, using the weighted average of both the torsional warping and St. Venant torsional constants. For local buckling, a Rayleigh–Ritz energy solution leads to a reduced thickness stiffened element equation that simulates the influence of decreased longitudinal and transverse plate bending stiffness caused by perforation patterns. The cross-section with these reduced thicknesses is input into a finite strip analysis program to calculate the critical elastic local buckling load. Local buckling at a perforation is also treated with a net section finite strip analysis. For distortional buckling, a reduced thickness equation is derived for the web of an open cross-section to simulate the reduction in its transverse bending stiffness caused by perforation patterns. The approximate elastic buckling methods are validated with a database of 1282 thin shell finite element eigen-buckling models considering five common pallet rack cross-sections featuring web perforations that include 36 perforation dimension combinations and twelve perforation spacing combinations.     

Inelastic second order analysis of steel frame elements flexed about minor axis

Frame elements may be subjected to significant bending moments about cross-sectional minor axis such as space frame elements and struts that buckle about minor axes. In some cases such as columns with compound cross-sections, the major bending moment acts about minor axes of cross-sectional components. The present paper proposes a simplified model for predicting the second order inelastic behavior of steel frame elements under axial compression force and bending moment about minor axis. New formulae are proposed to describe the plastic strength surface for steel I- and H-shaped cross-sections under axial force and bending moment about minor axis. Moreover, empirical formulae are developed to predict the tangent modulus for those cross-sections. The tangent modulus formulae are extended to evaluate the secant stiffness that is used for internal force recovery. The formulae are derived for steel sections considering the residual stresses as recommended by the European Convention for Construction Steelwork (ECCS). A finite element program is prepared to predict the inelastic second order behavior of plane frames using the derived formulae. The derived model exhibits good correlations when compared with the fiber model results. The analysis results indicate that the new model is accurate, furthermore it saves a lot of calculation time that may be consumed by iterations on the cross-sectional level.     

绕弱轴弯曲钢框架单元的非弹性二阶分析

框架单元常受绕横截面弱轴的弯矩作用,如空间框架单元、绕弱轴屈曲的压杆等。在某些组合截面柱中,绕弱轴方向的弯矩最大。建立简化模型,研究受轴压且绕弱轴弯曲时钢框架单元的二阶非弹性性能。建立了受轴压且绕弱轴弯曲时工字钢、H型钢的塑性强度公式及切线模量经验公式。切线模量公式可用于计算切线刚度,进而求得内部恢复力。这些公式可用于分析钢构件,并考虑欧洲规范ECCS中提到的残余应力,借助有限元程序,采用这些公式,分析平面框架的非弹性二阶性能。与纤维模型相比,新建立的模型的相关性更好。结果表明:新模型准确度高,能节约大量迭代计算时间,     

复合荷载作用下双轴对称工字形悬臂梁的弯扭屈曲分析

基于能量变分法,推导了均布荷载和端部作用集中荷载下的双轴对称工字形截面悬臂钢梁的弯扭屈曲总势能方程,其中截面弯扭屈曲变形的位移和转角分别选用一项和无穷项傅里叶级数来表达模态试函数.根据最小势能原理无量纲化后,获得复合荷载作用下悬臂钢梁无量纲的临界荷载的解析解;通过无穷级数形式解答的无量纲临界弯矩的解析解进行收敛性分析,...     

交叉加劲钢板深梁弹性屈曲分析

以交叉加劲钢板深梁为研究对象,利用有限元软件ANSYS分析其弹性屈曲性能,讨论了抗弯刚度比、跨高比、钢板深梁厚度对其弹性屈曲性能的影响;考虑钢板深梁在钢框架的弯剪受力特性,根据板的经典理论建立了交叉加劲钢板深梁屈曲荷载计算公式,提出了等效屈曲系数。结果表明:交叉加劲钢板深梁的临界屈曲荷载随抗弯刚度比增大而增大,但达到门槛刚度比后,增大幅度急剧减小,得到门槛刚度比约为10;临界屈曲荷载随跨高比和板厚的减小而减小,等效屈曲系数随板厚减小而增大;等效屈曲系数与跨高比关系曲线由二次抛物线形向波浪形渐变,交叉加劲钢板深梁受力特性由剪切主导向弯曲主导过渡。     

腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁局部屈曲性能及直接强度法研究

为了研究腹板开孔复杂卷边冷弯槽钢梁的局部屈曲性能，以及探究北美冷弯型钢结构设计规范(AISI S100-2016)中腹板开孔冷弯槽钢梁局部屈曲直接强度法计算公式的可靠性，对孔高比(孔洞高度与腹板高度的比值)分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8的10个腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁纯弯试件进行了静力试验研究。试验结果表明，开孔和不开孔试件均发生以局部屈曲为主的屈曲破坏模式，与不开孔试件相比，开孔试件的受弯承载力下降，且下降幅度随孔高比的增大而增大。利用ANSYS有限元程序对试验进行了模拟分析，分析结果与试验结果吻合良好；在此基础上，采用经试验验证的有限元模型，通过变换腹板高度、板厚和孔高比开展了有限元参数分析，并根据有限元参数分析结果对已有腹板开孔冷弯槽钢梁的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式进行了修正。基于试验结果、有限元参数分析结果以及修正的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式，对AISI S100-2016中开孔冷弯槽钢梁发生以局部屈曲为主破坏时的直接强度法计算公式进行了修正。     

Out-of-plane stability of simply supported beams with knee braces

This paper investigates the buckling of thin-walled beams braced by horizontal knee angles, which is a new practice currently coming into use in Chinese industrial buildings with small and moderate overhead cranes of light or medium duty to improve the stability of simply supported crane runway girders. It was found that this technique increases significantly the elastic buckling capacity of thin-walled beams. The increase in elastic-plastic buckling capacity may also be as high as 40% compared with unbraced beams. Simple formulae are presented for buckling moments of the knee-braced beams. Compared with the results of finite element analysis, the proposed formulae have excellent accuracy in prediction of the critical loads of knee-braced beams under concentrated load at mid-span and uniformly distributed loads. The application of the formulae was explained through an example of a practical crane runway girder.     

带孔冷弯薄壁钢构件的屈曲研究(英文)

自20世纪40年代以来,带孔冷弯薄壁钢构件因为具有节省钢材且容易形成异型构件等优点而在全世界范围内得到广泛应用。但是早先的研究只局限于受压或受弯个别构件的弯曲屈曲研究。带孔冷弯薄壁构件的分析和设计相当复杂,尤其是当开孔形状及位置不规则时更是如此。从理论分析出发,并结合文献中给出的一系列试验资料,通过多个算例,介绍了带孔的和不带孔的冷弯薄壁钢构件弯扭屈曲和畸变屈曲的计算方法。     

竖向加劲钢板剪力墙门槛刚度研究

为研究设置竖向加劲肋的钢板剪力墙的弹性屈曲性能,采用有限元法对竖向加劲钢板剪力墙弹性屈曲性能进行研究,分析加劲肋的刚度、加劲数量和钢板高宽比等因素的影响。研究表明:设置竖向加劲能有效提高钢板墙剪切临界应力,钢板高宽比、加劲肋数目和加劲肋抗弯刚度均对钢板剪力墙屈曲系数有较大影响。提出加劲肋门槛刚度的判定标准和计算公式,该判定标准考虑了加劲肋扭转刚度的影响。与有限元结果的比较表明,具有较好的精度,且明显优于文献结果。