焊接工字形截面钢梁整体稳定性能研究

为研究不同强度等级的钢材对焊接工字形截面简支梁整体稳定性的影响,依据现有Q235、Q345和Q460三种级别钢材强度的简支梁试验数据,验证采用ANSYS有限元程序所建立的简支梁有限元分析模型是准确可行的。根据验证的有限元模型对屈服强度为235、345MPa和460MPa的钢梁进行整体稳定性能的有限元分析。结果表明钢梁的整体稳定承载力会随着钢材强度的提高而提高,但增高幅度随着钢材强度的提高而逐渐减小。     

Q550GJ高强钢焊接箱形截面残余应力试验研究

为了研究国产Q550GJ高强钢焊接箱形截面构件的残余应力分布情况,根据其力学性能,设计和加工了6个Q550GJ高强结构钢焊接箱形截面构件,采用分割法对其进行残余应力试验。基于试验测量数据,得到不同试件的残余应力分布,研究板件宽厚比、板件厚度等几何尺寸对残余应力的影响。研究结果表明:高强钢Q550GJ焊接箱形截面构件的翼缘和腹板两端近焊缝区域出现较大的残余拉应力,翼缘和腹板中部呈现大小基本不变的残余压应力区,其余部位为由残余拉应力到残余压应力转变的过渡区域。随着宽厚比的提高,翼缘和腹板残余压应力值相应减小,残余拉应力值的变化规律不明显,有增大的趋势,且残余拉应力值均小于高强钢Q550GJ的屈服强度。在相同宽厚比情况下,焊接箱形截面构件厚度增加后,翼缘和腹板的残余压应力和残余拉应力相应减小。     

焊接不锈钢工字形截面梁整体稳定性试验研究

不锈钢材料在建筑结构中已得到广泛应用。为研究焊接不锈钢梁的整体稳定性能,进行了纯弯状态下的静力试验研究。试验包括10个试件,材料类型为奥氏体型316。截面类型采用了双轴对称和单轴对称工字形截面,试件的端部约束采用夹支,试验过程持续加载,直至达到试件的承载力峰值。基于试验结果,研究了焊接不锈钢梁的失稳破坏形态和极限承载力;对比了试验极限弯矩与理论弹性弯矩、塑性弯矩的差异,并将试验结果与有限元分析结果进行了对比。结果表明：试件的承载能力随着跨度的增大而减小,有限元分析能够准确预测试件的承载力,与试验结果吻合良好。     

纯弯等截面焊接工字形梁整体稳定系数研究

为配合《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)的修订工作,对纯弯等截面焊接工字形梁的整体稳定系数进行了研究.对各国钢结构规范中关于梁整体稳定系数问题的计算方法做了简要介绍,比较了各国规范对焊接工字形梁稳定承载力计算结果的差异;对等端弯矩作用下等截面焊接工字形梁的整体稳定性进行了大量数值模拟,其中考虑了梁构件的初始几何缺陷及残余应力分布.通过对比正则化长细比与梁整体稳定系数曲线可以发现,现行《钢结构设计规范》在计算梁稳定系数时对构件初始几何缺陷及残余应力考虑不足,规范计算结果在较大范围内高出有限元数值分析结果,会产生不安全的设计,故建议对规范公式进行修订.     

双轴对称工字形截面悬臂外伸梁整体稳定性研究

关于悬臂外伸梁整体稳定性能的研究,国内外的理论和试验数据存在明显不足,各类钢结构规范也都没有给出具体的计算方法和建议,从而影响其实际应用。为此,运用伽辽金法对双轴对称工字形截面悬臂外伸梁的整体稳定临界弯矩及整体稳定系数进行推导,辅以ANSYS模拟验证,并就多种因素对整体稳定性能的影响进行综合分析,得到横向荷载作用于形心时的临界荷载及临界弯矩表达式,同时推导了公式对应的适用范围。并在此基础上,推导出整体稳定系数及等效弯矩系数的建议公式,以供后续研究及工程设计参考应用。     

不锈钢焊接工字形截面梁整体稳定性分析

基于国内外已有的不锈钢焊接工字形截面梁整体稳定性的计算方法,包括美国SEI/ASCE 8-02中的方法、欧洲EN 1993-1-4中的方法和王元清提出的方法,采用有限元方法对不锈钢焊接工字形截面梁的整体稳定性进行分析,并用不锈钢焊接工字形截面梁已有的试验数据对有限元模型的准确性进行验证,在此基础上,对不锈钢焊接工字形截面梁进行参数化分析。分析表明:对梁整体稳定承载力影响的因素从大到小依次为材料名义屈服强度、荷载类型、截面类型和焊接残余应力;在参数化分析的基础上,提出基于修正正则化长细比的Perry公式型整体稳定系数表达式;将所提出的计算方法、国内外现有的计算方法与试验数据进行了对比,结果表明受试验中边界条件的影响,试验值高于计算方法的计算值,与其他方法相比,所提出的计算方法与有限元计算结果吻合更好,可以用于计算焊接工字形截面梁的整体稳定承载力。     

Q690钢焊接H形截面轴压柱整体稳定性能研究及设计方法

该文旨在研究Q690高强钢焊接H形轴压柱的整体稳定性能,并给出适合该类型构件的一阶弹性设计建议。为此,对Q690焊接H形试件进行残余应力试验研究和轴压试验研究,基于试验结果,给出残余应力分布模型;并分析该类型试件的失稳形态和整体稳定性能。同时,使用直接分析法建立数值模型,并对其进行验证。该数值模型采用PEP单元(Pointwise-Equilibrating-Polynomial Element)来模拟构件的几何初始缺陷,采用塑性纤维铰方法结合截面屈服面(该屈服面考虑了残余应力效应)来反映关键截面的屈服影响。最终,采用该直接分析法对Q690焊接H形轴压构件进行了参数分析。基于参数分析结果,给出该类型轴压试件的一阶弹性设计建议。     

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。     

焊接工字形截面组合钢板梁腹板屈曲后整体稳定性研究

本文提出工字梁腹板屈曲后对整体稳定性影响的问题,评述了相关屈曲问题分析的一些常见方法,归纳了腹板屈曲后整体稳定性控制的措施,为设计人员提供参照。     

高强钢焊接工字形截面压弯构件局部-整体相关屈曲分析北大核心CSCD

采用有限元法分析了Q460钢腹板高厚比超限(h w/t w=60,70,80,100,120)的焊接工字形截面压弯构件的极限承载力,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比和相对偏心率对其屈曲性能的影响,提出了计算Q460钢压弯构件局部-整体相关屈曲极限承载力的修正公式。研究表明,有限元法能很好地分析腹板高厚比超限的工字形截面压弯构件非线性屈曲性能;腹板高厚比增大,极限承载力提高,腹板屈曲后强度保持能力增大,延性增大。相反,翼缘宽厚比增大,构件极限承载力减小,腹板屈曲后强度保持能力减弱,延性降低;长细比增加,构件刚度明显减小,极限承载力降低,但延性却增大;相对偏心率增大,弯曲变形起主导作用,跨中挠度急剧增加,而轴力的变化相对变缓。提出的修正公式计算结果与有限元结果吻合很好。     

国产Q460高强钢焊接工形柱整体稳定性能研究

为研究国产Q460高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对7个焊接工字形截面钢柱试件进行试验研究。试验实测了构件的几何初始缺陷和截面残余应力,并分析其失稳变形特征和整体稳定承载力。利用试验结果和实测的初始缺陷数据,验证了所建立的有限元数值模型的可靠性和准确性;此外,通过大量参数分析计算了不同截面尺寸和长度的国产Q460高强钢焊接工字形截面轴压杆绕截面强轴和弱轴失稳的整体稳定承载力,并与国内外的钢结构设计规范柱子曲线进行比较。结果表明,该类轴压杆的整体稳定系数要明显高于相应的设计曲线,即相比具有相同正则化长细比的普通强度钢材轴压杆其整体稳定系数要有明显提高;给出了建议的柱子曲线类型,并在数值分析的基础上拟合新的柱子曲线,以为工程应用和规范修订提供参考。     

翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁整体稳定性能试验

为研究翼缘纵向变厚度焊接工字形截面钢梁的整体稳定性能,共设计了11个变厚度梁和2个等厚度梁并进行无侧向约束整体稳定试验,包含三点弯和四点弯两种加载方式,0、2、4、6、8mm/m共5种厚度变化率。试验结果表明：钢梁均发生弹塑性弯扭失稳破坏,卸载后仍有明显残余变形;相比四点弯加载,翼缘厚度变化对三点弯加载钢梁承载性能的影响更为明显。对现有等厚度梁的整体稳定设计方法和稳定系数曲线进行总结,结合精细化有限元分析得到,变厚度梁的弹性失稳临界弯矩随着翼缘厚度变化率增大而降低。基于现有等厚度梁规范稳定曲线进行变厚度梁稳定承载力计算时,建议采用有限元分析或者以平均截面尺寸下的等厚度梁近似计算弹性失稳屈曲临界弯矩,由此可得相比按跨中最大截面设计相对安全的稳定承载力。最后将试验结果与规范计算所得稳定承载力对比,结果表明欧洲规范BS EN 1993-1-1最为安全,中国规范GB 50017—2017次之,美国规范ANSI/AISC 360-16最不安全。变厚度梁整体稳定设计方法的提出还需进一步深入研究。     

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。     

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。     

焊接工字形截面抛物线拱平面内稳定性试验研究

进行了全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载作用下焊接工字形截面两铰抛物线钢拱平面内稳定承载力试验研究。通过试验揭示了抛物线钢拱平面内的失稳破坏机理,全跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱发生不完全反对称的平面内失稳破坏,半跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱发生反对称的平面内失稳破坏;半跨竖向均布荷载作用下抛物线钢拱的稳定承载能力低于全跨竖向均布荷载作用下的稳定承载能力;试验结果与有限元法分析结果进行了对比,二者吻合良好,有限元法研究钢拱的平面内稳定具有很高的精度;试验结果验证了工字形截面抛物线钢拱平面内稳定性设计方法安全可靠,可供设计使用。     

Experimental study of lateral-torsional buckling behavior of stainless steel welded I-section beams

Investigations on lateral-torsional buckling behavior of stainless steel welded I-section beams were carried out through fourpoint bending tests. The Chinese austenitic stainless steel adopted in this study contains approximately 17% of Cr, which could be graded as EN 1.4401. The non-linear stress-strain relationship of the material, the residual stress distribution of the section and the ultimate moment capacity of the welded I-section beams were obtained from the experiments, and they were compared with those results predicted by analytical models recommended by several researchers. Besides, a new model is proposed to predict the residual stress distribution of the stainless steel welded I-section beams.     

工字形截面楔形梁的弹性稳定分析

采用摄动法研究了钢结构中常见的工字形截面楔形梁的弹性稳定,并求得工字形截面楔形梁发生弹性失稳时的屈曲模态,利用此屈曲模态函数,即可得到确定工字形截面楔形梁屈曲载荷的特征方程.     

Residual stresses in welded flame-cut high strength steel H-sections

The presence of residual stress in members can significantly compromise the stiffness and fatigue life of steel structural components. Researches in this area are well documented for structural members of mild carbon steels. Nevertheless, due to the difference of stress–strain relations and material properties under ambient and high temperatures, the residual stress distribution in a high strength steel member is physically different from those fabricated from mild carbon steel. It is imperative to study the residual stress distribution for structural members fabricated from high strength steel. In this paper, the residual stresses of three welded flame-cut H-section columns with a nominal yield strength of 460 MPa but different cross-section dimensions were investigated. Both sectioning and hole-drilling methods were used in the measurement and the obtained residual stresses were compared between the two methods. The magnitudes and distributions of the measured residual stresses are identical with those of carbon steel, however in relatively smaller residual stress ratios. Finally, based on the measurements, a simplified residual stress distribution for 460 MPa high strength steel members with welded flame-cut H-section is proposed.     

激光焊接不锈钢工字形截面中长柱受力性能研究

为研究激光焊接奥氏体不锈钢工字形截面轴心受压中长柱的承载性能,对10根激光焊接不锈钢工字形薄柔截面中长柱进行轴心受压试验研究,结果表明,中长柱的破坏模式均为板件局部屈曲与构件整体弯曲屈曲的相关失稳。同时,基于残余应力试验,验证了已有激光焊接不锈钢工字形截面的残余应力分布模型。基于试验结果验证了有限元模型,对激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压中长柱开展参数分析,研究了几何初始缺陷和残余应力对中长柱稳定承载力的影响,结果表明,残余应力是影响中长柱稳定承载力的主要因素。结合试验和有限元计算结果,对CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》中轴心受压构件稳定承载力设计公式的适用性进行评估,并考虑残余应力的影响修正了轴心受压构件整体稳定设计公式的计算系数。采用修正后计算系数的规范公式能准确计算激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压构件的稳定承载力。     

高强度钢材工字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工字形截面轴心受压短柱的局部稳定性能,对9个Q460C工字形截面短柱进行轴心受压试验,分析试件局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,研究翼缘、腹板嵌固系数的取值。此外,将屈曲应力、极限应力试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行对比分析,研究相应规范对于高强度钢材的适用性。结果表明：翼缘的嵌固系数可取为定值1.0,腹板的嵌固系数不宜取为定值;GB 50017-2003《钢结构设计规范》中关于高强度钢材工字形截面短柱的局部屈曲应力的计算结果是不合理的;AISC 360-05规范的极限应力计算值误差较大,但偏于保守;Eurocode 3规范的极限应力计算值与试验值较为接近,但大部分计算结果较试验值偏大。为此,建议提出新的公式计算工字形截面短柱的局部屈曲应力,而对Eurocode 3规范关于工字形截面短柱的极限应力计算公式进行修正,使其能适用于Q460C高强度钢材。