腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性试验研究

为了研究腹板开孔对不同截面形式冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能的影响,对腹板开孔的复杂卷边槽钢(B1截面)、Σ形复杂卷边槽钢(B2截面)共计8个简支梁试件进行稳定性试验研究,其中研究纯弯的试件4个,非纯弯的试件4个。试验结果表明：B2截面试件的受弯承载效率均高于B1截面试件,B1截面试件受开孔的影响较大,而B2截面试件由于腹板加劲肋的设置减弱开孔对截面的影响,两者在开孔处均发生明显的剪切变形。与相同条件下不开孔试件的试验结果对比表明：开孔试件的极限荷载均有不同程度的降低,非纯弯状态的下降幅度大于纯弯状态的;开孔试件的失稳模式基本不变,但破坏位置多发生在孔洞截面处。对试验进行有限元模拟分析,计算结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用有限元模拟对比相同截面腹板开孔和不开孔受弯构件的应力分布云图,结果表明,孔洞的存在改变了构件的应力分布,使孔洞周边区域发生应力集中现象,B1截面开孔受弯构件最大应力主要集中在弯剪段孔洞附近,而B2截面开孔后最大应力则主要集中在荷载作用点附近的受压翼缘上。     

开孔冷弯薄壁卷边槽钢畸变屈曲性能分析

畸变屈曲是冷弯薄壁卷边槽钢截面的一种主要屈曲模式,分析时应考虑截面板组间的相关作用,腹板提供给翼缘的约束作用是影响构件畸变屈曲性能的主要因素。腹板开孔后将导致应力的重分布,影响板件间的相关作用。本文在分析的过程中,以无孔构件的畸变屈曲理论为基础,应用ANSYS有限元软件对腹板开孔的冷弯薄壁卷边槽钢构件在轴心受压情况下的畸变屈曲性能进行了分析研究。讨论了孔洞横向间距、纵向间距、孔宽、孔型等参数对畸变屈曲性能的影响。除此之外,还分析了截面板件尺寸大小对截面畸变屈曲性能的影响。最后,根据有限元参数分析结果,给出了在腹板上设置孔洞时的一些建议。     

开孔冷弯卷边槽钢构件直接强度法分析

文中对应用于开单孔轴压构件承载力计算的直接强度法进行了介绍,同时给出了腹板开多圆孔和多椭圆孔轴压构件的试验结果,利用介绍的直接强度法计算了试验构件的极限承载力。计算结果表明:应用于开单孔轴压构件承载力计算的直接强度法计算构件承载力与试验值比较吻合,且有一定的安全度。应用于单孔轴压构件极限承载力计算的直接强度法同样适用于腹板开多孔构件极限承载力的计算,可用于冷弯薄壁型钢开孔构件的工程设计。     

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。     

受弯的冷弯卷边槽钢畸变屈曲强度和其相关屈曲承载力

受弯的冷弯薄壁卷边槽钢基本上有板件局部屈曲,截面畸变屈曲和构件弯扭屈曲三种屈曲模式,随后有它们之间的相关屈曲。由于畸变屈曲模式对缺陷的敏感度高,因此其屈曲后强度提高的幅度远低于局部屈曲模式。但是与局部屈曲模式相比,畸变屈曲模式抵抗破坏的能力却很强。可以用有限单元法计算受弯卷边槽钢截面的畸变屈曲强度。本文介绍了澳大利亚-新西兰标准AS/NZS4600-2005,用手算法计算受弯卷边槽钢截面的弹性畸变屈曲应力,並用直接强度法计算其相关的屈曲承载力。     

局部/畸变屈曲相互作用下卷边槽钢柱的后屈曲性能及直接强度设计

对直接强度法(DSM)进行改进,以计算局部/畸变屈曲相互作用下卷边槽钢柱的极限强度。首先,采用壳体有限元分析方法分析薄壁构件的几何特性和材料的非线性特性,并简单描述该分析过程的主要内容。利用该方法建立卷边槽钢柱的极限荷载"数据库",以用于改进和评估DSM设计方法。其次,简要回顾了当前计算局部和畸变作用下柱破坏时承重能力的DSM表达式,特别是考虑局部和畸变交互作用的方法。此外,研究了两种边界条件下(铰接和固接)局部/畸变屈曲相互作用下几何尺寸不同的276根卷边槽钢柱的极限荷载,给出ABAQUS软件的参数研究结果,并对其进行了讨论。最后,将这些极限强度数据与DSM计算结果进行比较,结果表明,采用DSM计算局部/畸变屈曲交互作用时需考虑某些特性。     

冷弯薄壁卷边槽钢梁弹性畸变屈曲拟合计算

针对冷弯薄壁卷边槽钢纯弯梁,从现有文献中,选取具有代表性的截面形式,分析截面各种几何参数对弹性畸变屈曲临界应力fod的影响,并在此基础上拟合得到fod计算公式。该拟合公式物理意义明确,与有限条法计算结果进行对比,结果表明:所提出的公式具有较高工程精度,且简单实用、便于手算;该公式的运用,推进了直接强度法的实用化进程,亦可供工程设计人员参考。     

腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件整体屈曲性能分析

采用有限元分析软件ABAQUS对腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件的开孔类型、开孔大小、开孔间距等参数进行分析,研究腹板开孔对构件整体屈曲性能的影响.结果表明:开孔大小对不同截面尺寸构件整体稳定影响较大;整体稳定系数 φb随着圆孔直径的增大或矩形孔高度和长度的增大而降低;当孔间距大于一定限值后对整体稳定系数 φb影响不大...     

腹板加劲冷弯薄壁拼合H形钢压弯构件畸变性能试验研究

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能,并评估现行中美规范计算方法适用性,对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验,得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲,畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响;绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究,结果表明：计算绕强轴压弯承载力时,按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全;计算绕弱轴压弯承载力时,试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15,偏于安全且较为合理,与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66,较为保守,建议拼合构件的双肢可靠连接时,按拼合整体截...     

Experimental investigation on distortional performance of cold-formed steel built-up channel columns with web stiffeners under eccentric compression

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能，并评估现行中美规范计算方法适用性，对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验，得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲，畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响；绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究，结果表明：计算绕强轴压弯承载力时，按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全；计算绕弱轴压弯承载力时，试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15，偏于安全且较为合理，与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66，较为保守，建议拼合构件的双肢可靠连接时，按拼合整体截面计算绕弱轴稳定承载力。     

不同截面形式高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力试验研究

对36个屈服强度为550 MPa的高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行静力试验研究,考虑了加劲形式和卷边形式对试件受弯性能的影响,其中加劲形式分为无加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘及腹板中间V形加劲3种,卷边形式分为直卷边、斜卷边和复杂卷边3种。试验结果表明：加劲形式和卷边形式是影响试件受弯承载力和屈曲模式的重要因素;与无加劲形式相比,采用板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比,试件受弯承载力提高了30%~70%;同种加劲形式下,短（直、斜）卷边试件受弯承载力提高幅度最大,复杂卷边试件提高幅度次之,长（直、斜）卷边试件提高幅度最小;试验过程中试件发生了局部屈曲、畸变屈曲与局部和畸变相关屈曲。对试验进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

G550高强冷弯薄壁Z形钢受弯构件承载力试验与直接强度法研究

为了研究高强冷弯薄壁型钢构件的受弯性能和完善直接强度法,对卷边形式为斜卷边、直卷边和复杂卷边的12个G550高强冷弯薄壁Z形钢受弯试件进行了静力试验。试验结果表明,卷边形式对试件屈曲模式和受弯承载力有显著影响,试件发生了局部与畸变相关屈曲或畸变屈曲,直卷边试件的承载力高于斜卷边试件的承载力,复杂Ⅱ型卷边试件的承载力高于复杂Ⅰ型卷边试件的承载力。根据试验结果并结合现有国外直接强度法公式,回归出G550高强冷弯薄壁Z形钢受弯构件发生局部与畸变相关屈曲变形时的承载力直接强度法修正公式,当此类构件发生畸变屈曲时,无需再修正现有直接强度法公式。建立有限元模型对试验进行了分析,分析结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用大量有限元分析结果验证了直接强度法修正公式比现有直接强度法公式对此类构件的承载力的预测更为安全可靠。     

550MPa高强冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件畸变屈曲试验研究

为了研究屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢受弯构件的畸变屈曲性能,分别对直卷边、斜卷边和复杂卷边3种卷边形式的12组高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行了静力试验研究,其中纯弯试验6组,非纯弯试验6组。试验结果表明,卷边形式是影响试件发生畸变屈曲或局部和畸变相关屈曲的重要因素。相同卷边形式下,非纯弯试件的承载力均高于纯弯试件的承载力,且提高幅度与试件屈曲破坏模式有关,只发生畸变屈曲的试件承载力提高幅度最大,而在发生局部和畸变相关屈曲的试件中,由畸变屈曲引起破坏的试件承载力提高幅度次之,由局部屈曲引起破坏的试件承载力提高幅度最小。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压柱畸变屈曲试验研究

本文对550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能进行了试验研究,17根试件的试验结果表明:由于试件局部屈曲一般发生在畸变屈曲之前,促使畸变屈曲提前出现,这种相关作用减弱了构件整体刚度,降低了构件承载力;澳洲规范AS/NZS 4600:1996及北美规范NAS 2004中关于发生畸变屈曲构件承载力的计算方法没有考虑局部屈曲和畸变屈曲相关作用的不利影响。依据试验结果本文提出了一种修正直接强度法的建议计算方法,该法计算结果与试验结果较为接近且偏安全。     

冷弯薄壁卷边槽钢轴压构件畸变与局部相关屈曲试验研究

对卷边尺寸不同的两类腹板中间设置加劲卷边槽形截面,共18个冷弯薄壁型钢固支轴压试件进行畸变屈曲与局部屈曲相关作用的静力试验研究。得到试件的屈曲模式、相关屈曲行为、破坏模式以及极限荷载。试验结果表明：畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关对试件的变形和极限荷载有不利作用;畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关作用存有较大的屈曲后承载力;畸变屈曲与局部屈曲的耦合相关顺序,即畸变屈曲 局部屈曲耦合相关、局部屈曲 畸变屈曲耦合相关,对试件的变形、非线性平衡路径、破坏模式以及极限荷载的影响有所不同。采用ABAQUS有限元软件对试件进行模拟分析,计算结果与试验结果吻合良好。     

Simulation of cold-formed steel beams in local and distortional buckling with applications to the direct strength method

A nonlinear finite element (FE) model is developed to simulate two series of flexural tests, previously conducted by the authors, on industry standard cold-formed steel C- and Z-section beams. The previous tests focused on laterally braced beams with compression flange details that lead predominately to local buckling failures, in the first test series, and distortional buckling failures, in the second test series. The objectives of this paper are to (i) validate the FE model developed for simulation of the testing, (ii) perform parametric studies outside the bounds of the original tests with a particular focus on variation in yield stress and influence of moment gradient on failures, and (iii) apply the study results to examine and extend the Direct Strength Method of design. The developed FE model shows good agreement with the test data in terms of ultimate bending strength. Extension of the tested sections to cover yield stresses from 228 to 506 MPa indicates that the Direct Strength Method is applicable over this full range of yield stresses. The FE model is also applied to analyze the effect of moment gradient on distortional buckling. It is found that the distortional buckling strength of beams is increased due to the presence of moment gradient. Further, it is proposed and verified that the moment gradient effect on distortional buckling failures can be conservatively accounted for in the Direct Strength Method by using an elastic buckling moment that accounts for the moment gradient. An empirical equation, appropriate for use in design, to predict the increase in the elastic distortional buckling moment due to moment gradient, is developed.     

冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件稳定性能分析

采用有限元软件ANSYS对3种加劲形式冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件的稳定性能进行了非线性分析,结果表明:加劲形式是影响构件屈曲模式和抗弯承载力的重要因素,构件在非纯弯状态下的抗弯承载力均大于纯弯状态下的抗弯承载力。     

腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合构件轴压性能试验研究

通过12根腹板开孔复杂卷边槽钢和Σ形复杂卷边槽钢双肢拼合工字形简支轴压构件的轴压试验,研究了构件承载能力、失稳模式和拼合作用。采用有限元软件ANSYS对试验进行了模拟,验证了分析模型准确性。并通过有限元变参数分析研究了孔高、孔宽和孔间距对拼合构件承载力的影响。结果表明:复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的腹板多波失稳现象明显,屈曲发生时两腹板间的相互支撑作用较强;Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件能有效地控制腹板局部屈曲的发生并显著提高短柱、中长柱的承载力;设置腹板加劲肋有助于提高孔洞周围板件变形的约束作用,同时也减弱了两单肢腹板间的相互支撑作用;相同条件下,Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的轴压承载效率与复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件相比,短柱提高了32%,中长柱提高了10%,长柱提高了2%;非加劲截面构件在不同长度下,孔高为腹板高度1/2(69 mm)时构件的稳定承载力较孔高为25 mm时下降约7%;而孔宽、孔间距对上述两类截面构件稳定承载力影响不大;此外,采用直接强度法预测非加劲截面双肢拼合构件的承载力结果偏于保守,而对加劲截面双肢拼合构件则略显不安全。