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。     

基于广义梁理论的非线性材料薄壁受压构件屈曲荷载计算方法

提出适用于非线性材料的广义梁理论屈曲荷载计算方法,并对不锈钢薄壁受压构件屈曲荷载进行计算验证。通过定义材料非线性应力应变关系和瞬时弹性模量,对传统线弹性广义梁理论进行修正,建立非线性材料薄壁构件受压屈曲荷载计算方法,推导不锈钢薄板受压局部屈曲、冷弯薄壁不锈钢卷边槽形柱畸变屈曲及箱形不锈钢长柱弯曲屈曲荷载计算公式,并与既有试验数据对比。经验证,线弹性分析方法不适用于不锈钢材料;提出的修正GBT法具有较高精度,且本构关系采用变形法则结果偏于安全,可用于不锈钢等非线性金属材料薄壁构件受压屈曲荷载的确定,为研究和设计提供理论指导。     

局部屈曲变形损伤对H型钢柱竖向剩余承载力影响的试验研究

以1.5m高HW100×100×6×8热轧H型钢柱为研究对象,分别对6个因侧向撞击而受损的H型钢柱试件和2个完好的对比试件进行了竖向剩余承载力的试验研究。试验中记录了试件的荷载-位移关系曲线及名义应力-应变关系曲线,得到了试件的残余变形形态和竖向极限承载力。通过定义剩余承载力系数,得出剩余承载力系数与局部屈曲损伤变形量之间的函数关系式。试验结果表明:试件受压时,局部屈曲损伤部位成为明显的薄弱部位,加载过程中该部位的翼缘进一步扭曲,腹板出现严重的侧向鼓曲,试件表现为整体失稳破坏。随着冲击能量的增加,冲击荷载对构件的损伤程度增大,构件的竖向剩余承载力降低,剩余承载力系数与局部屈曲损伤变形量之间成线性关系。     

局部约束轧制H型钢柱的抗震性能研究

针对地震作用下钢抗弯框架由于H型钢柱局部屈曲所产生的破坏,提出了一种适用于地震区的钢框架结构形式:局部约束的轧制H型钢柱体系。这种结构形式通过在柱可能产生局部屈曲的部位设置附加约束,以达到延缓屈曲发展,提高柱抗震性能的目的。根据所提出的方法,通过两组共7根大比例模型柱进行了常轴力和水平循环荷载作用下的试验验证。研究结果表明,未约束H型钢模型柱在达到其最大承载力之后,由于柱底部局部屈曲不断发展,承载力下降较快;而所建议的局部约束H型钢柱,其延性及抗震耗能能力都有了较大提高。     

国际期刊导读

具有不确定材料性能的壳结构非线性有限元分析;冷弯钢构件残余应力和应变的预测;薄壁开口构件的屈曲分析——有限元公式;薄壁梁的非线性有限元分析;通宽剥离时复合板材的后屈曲性能     

剖分T型钢压杆整体失稳问题研究北大核心CSCD

H型钢剖分T型钢压杆在压力作用下,屈曲性能有如下特点:一是当沿形心纵轴受压而绕对称轴屈曲时杆件将发生弯扭变形;二是当沿剪切中心轴受压而绕对称轴屈曲时弯曲变形与扭转变形不再耦合。因此,形心受压时的屈曲荷载低于剪切中心受压时的屈曲荷载,上述结论对理想压杆是适用的。然而,对于工程中具有初弯曲、初偏心以及残余应力的剖分T型钢压杆而言,将压力由形心轴移至剪切中心轴后,整体失稳时的承载能力会降低,采用有限元建模计算剖分T型钢压杆承载力的分析结果也可证实上述结论。     

骨料取代率对方钢管再生混凝土短柱力学性能的影响

采用ANSYS软件建立方钢管再生混凝土轴心受压短柱有限元分析模型,考查骨料取代率对钢管再生混凝土柱荷载-应变曲线和局部屈曲性能的影响。结果表明,钢管再生混凝土柱轴压承载力随着骨料取代率的增加而降低,骨料取代率变化对钢管再生混凝土柱的延性和局部屈曲性能影响不大。     

钢货架柱畸变屈曲的试验研究

给出受压钢货架柱性能的试验结果。对不同长度的钢货架柱进行试验研究,主要研究那些发生畸变屈曲的试件的性能。畸变屈曲一般发生在中等长度的试件上。即:长于那些发生局部屈曲强度的柱,但是也不能过长,以避免发生整体屈曲。测量了试件的变形量,而且,大部分构件发生的是一种畸变屈曲和整体屈曲组合的破坏模式。此外,已经证实尽管该破坏模式对试件强度的影响不大,但是如果考虑这个因素,目前设计程序的准确性将得到提高。     

循环荷载作用下木材横纹力学特性与本构模型

木材循环受力特性与本构模型是木结构在地震、振动等反复荷载作用下受力分析的基础。试验中设计并加工了一种适用于木材横纹循环加载的狗骨状试件及其配套夹具,基于木材径向、弦向、偏轴60°三类共44个横纹试件的单调拉伸、单调压缩、循环受压、循环拉压试验,分析木材在不同循环加载条件下的变形特征、破坏模式、应力-应变全曲线性质与加卸载刚度变化规律。在此基础上,建立木材横纹循环应力-应变曲线中受压卸载残余应变、受拉卸载开始点应变、受拉卸载残余应变与受压卸载开始点应变的相关关系。研究结果表明：木材横纹循环受力过程中受压侧变形特征、破坏模式、骨架曲线与单调受压时相似,径向与偏轴60°试件的循环受压骨架曲线屈服点后的应变硬化特征明显,而弦向试件则表现出明显的应变软化特征;各类试件的卸载刚度、卸载后的反向加载刚度显著退化。进一步建立了木材横纹循环受力本构模型,并通过试验验证了其正确性,可用于木结构受循环荷载作用时的受力分析。     

变截面H型钢柱相关屈曲性能研究

采用板壳单元离散变截面H型钢柱,并同时考虑构件整体与局部初始缺陷、残余应力、材料屈服、几何非线性等因素的影响。根据数值分析的结果,重点研究了腹板宽厚比、腹板楔率、翼缘宽厚比、长细比等参数对板件局部屈曲与构件整体稳定的影响,总结了压力作用下变截面H型钢柱局部屈曲、整体屈曲和相关屈曲的发展过程以及影响因素。     

Seismically induced cyclic buckling of steel columns including residual-stress and strain-rate effects

Compression buckling tests were performed on four full-scale W-shaped column specimens to investigate the buckling response of columns in multi-storey braced steel frame structures subjected to seismic strong ground motions. The test protocols included monotonically and cyclically applied concentric and eccentric axial loading. One test was conducted under dynamic cyclic loading. End moments were applied on one cyclic test. The columns were W310×129 compact (class 1) sections made with ASTM A992 steel. Weak axis buckling was studied and the column had an effective slenderness ratio of 48. The response of the test columns was also examined using numerical simulations based on fibre discretization of the member cross-section. Column residual stresses and strain rate effects on the material properties were both characterized and accounted for in the numerical models. The study showed that steel columns can sustain several cycles of inelastic buckling under seismic induced loading while maintaining sufficient compressive resistance to support the applied gravity loads. Residual stresses affected the column response only at the first buckling occurrence with a gradual reduction of the columns’ tangent stiffness prior to buckling as well as a reduction of the column’s compressive resistance. High strain rates anticipated during strong earthquakes increased the column buckling and post-buckling strengths. The cyclic buckling response of steel columns can be predicted adequately when using nonlinear beam-column elements and cross-section fibre discretization provided that residual stresses and strain rate effects are included in the modelling.     

热处理方钢管短柱超低周疲劳性能试验研究

强震下钢结构构件会发生局部或整体屈曲,造成构件局部塑性应变集中,导致构件在反复荷载作用下最终发生断裂,因此有必要开展大塑性应变循环加载下局部屈曲和后续延性断裂的耦合破坏机理研究。通过热处理冷弯方钢管短柱的超低周疲劳试验,对上述破坏机理进行了研究。试验考察了宽厚比和加载历史对于方钢管短柱屈曲后断裂模式及抗震性能的影响,并给出了累积延性评估方法。试验结果显示:所有试件受压时承载力的下降皆由局部屈曲导致,而受拉侧承载力的退化则由延性断裂造成;构件的累积塑性耗能可分解为各向同性强化耗能和随动强化耗能,且两者受拉时对应值呈线性关系。     

轴向往复荷载作用下钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为了探究斜交网格结构体系中外筒斜柱的破坏机制,对8个钢管混凝土柱和2个钢管柱试件进行了轴向往复加载试验,研究加载路径、长径比、混凝土强度和含钢率对其抗震性能的影响,分析了钢管混凝土柱的破坏机制、破坏形态和滞回性能,并讨论了钢管与混凝土间的相互作用。结果表明：轴向往复荷载下钢管混凝土柱的破坏均由钢管断裂引起,核心混凝土整体保持完好,只在钢管屈曲处存在混凝土压碎现象;相比于空钢管柱,钢管混凝土柱受拉时混凝土对钢管的支撑作用,以及受压时钢管对混凝土的约束作用,保证了其具有更高的承载力、变形能力和耗能能力;钢管混凝土柱在轴压和轴拉荷载下的抗震性能存在显著差别,在轴拉荷载下具有更好的延性和耗能能力,而在轴压荷载下具有更高的承载力和刚度。钢管混凝土柱屈服后钢管对混凝土的约束作用持续增强,并当钢管纵向应变达到8×10^-3时,不同参数对其约束效应的影响达到最大。     

Seismic behavior of L-shaped concrete-filled steel tubular columns with reinforcement stiffeners

制作了1根对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱试件和2根非加劲L形截面钢管混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,考察对拉钢筋和轴压比对其抗震性能的影响规律。结合OpenSees有限元分析,研究其破坏模式和滞回性能,分析对拉钢筋的作用以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：对拉钢筋能有效限制钢板的局部屈曲以及阴角处钢管和混凝土的脱离,保证钢管和混凝土共同工作;轴压比从0.3增加到0.6时,非加劲L形截面钢管混凝土柱的耗能能力及延性均降低;相同轴压比下,相比非加劲L形截面钢管混凝土柱,对拉钢筋加劲L形截面钢管混凝土柱的破坏程度明显减轻,耗能能力及延性明显提高;有限元分析结果基本能反映试件在低周往复水平荷载作用下的抗震性能。     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能，对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验，考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响。结果表明：增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用，提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度，但延性降低；采用方钢管截面端柱可避免端柱发生压屈破坏，其对墙体的抗侧刚度及受剪承载力提高幅度较小，但可以改善墙体的延性及变形性能；当底层与二层墙体抗侧刚度比大于1时，墙体属于弯曲型破坏。建议在多层冷弯薄壁型钢结构住宅抗震设计中，对底层墙体设置刚性斜撑、采用方钢管加强端柱以提高墙体受剪承载力及端柱抗压屈能力。     

双槽钢缀板柱绕虚轴的滞回性能试验研究

为研究双槽钢缀板柱绕虚轴的抗震性能,对6个双槽钢缀板柱足尺试件进行水平往复荷载试验研究,分析了单肢长细比、缀板线刚度、轴压比、加劲肋设置等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力及延性的影响。试验结果表明:按GB 50017—2017《钢结构设计标准》设计的双槽钢缀板柱在绕虚轴往复荷载作用下不能达到设计塑性受弯承载力,减小单肢长细比,可显著提高构件塑性抗弯承载力及初始刚度,当单肢长细比为20时,构件绕虚轴受弯承载力可达到规范相关要求;在满足规范要求的情况下,缀板及其连接焊缝未发生破坏,但提高缀板线刚度对构件绕虚轴的抗震性能影响较小;轴压比对构件抗震性能影响显著,随着轴压比增大,构件抗震性能降低;在构件塑性铰区设置加劲肋,可有效防止该区域板件的局部屈曲,提高构件的承载力、延性及耗能能力,缓解承载力及刚度退化,但塑性铰区转移至第二与第三块缀板间,试件破坏模式为单肢失稳。     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能,对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验,考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响.结果表明:增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用,提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度,但延性降低;采用方钢管截面...     

Numerical simulation of mega steel reinforced concrete columns with different steel sections

In recent years, the mega steel reinforced concrete (SRC) columns have been applied in super‐tall buildings. The previous research on SRC columns mainly focuses on the components with simple arrangement of encased steel, such as H‐shaped steel and cross‐shaped steel, with little attention paid to mega SRC columns that always have complicated encased steel and large steel ratio. The cyclic loading tests were carried out on scaled mega SRC column specimens with different cross‐section type of encased steel and steel ratio. The nonlinear three‐dimensional finite element and fiber element models were established respectively to simulate the inelastic behavior of mega SRC columns. The equivalent plastic strain of concrete, steel and rebar as well as the confinement effect on the concrete caused by the rebar and the steel plate were analyzed subsequently. By using the verified numerical model, the seismic behavior of specimens with different axial compression ratio was also studied. The test and analysis results indicate that the steel ratio and axial compression ratio have significant effects on the seismic performance of mega SRC columns, while the effect of cross‐section type of encased steel is not significant. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

钢筋加劲T形截面钢管混凝土柱抗震性能试验研究

制作4根钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱、1根非加劲T形截面钢管混凝土柱和1根T形截面钢筋混凝土柱试件,对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验,研究其破坏模式和滞回性能,分析钢筋加劲肋的作用机理以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：相比T形截面钢筋混凝土柱,T形截面钢管混凝土柱破坏程度有明显减轻,刚度、承载力以及耗能性能均有明显提高;钢筋加劲肋能有效限制钢板局部屈曲和阴角处钢管与混凝土脱离,保证钢管和混凝土共同工作,对拉钢筋加劲肋相对锯齿形钢筋加劲肋的效果更加显著;含钢率较高的钢管混凝土柱承载力更高,耗能能力更好;轴压比从0.2增加到0.4时,钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱的承载力增大,延性降低。