高强钢焊接箱形截面双向压弯构件屈曲后强度设计方法研究

相比于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003),《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)取得了较大的进步,允许板件先于构件发生屈曲,并利用了板件屈曲后强度。GB 50017—2017对轴心受压构件、受弯构件和单向压弯构件均给出了屈曲后强度计算公式,但对双向压弯构件却未给出计算公式。分析了已有的高强钢压弯构件屈曲后强度计算方法,基于GB 50017—2017中的压弯构件稳定承载力计算公式,提出了双向压弯构件屈曲后强度计算公式,收集已有高强钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度的试验和有限元结果以验证公式的有效性。研究结果表明,提出的计算公式能在大部分构件长细比和板件宽厚比范围内偏于保守地预测名义屈服强度为460 MPa和690 MPa的高强钢焊接箱形截面双向压弯构件的屈曲后强度。     

楔形压弯构件平面内稳定极限承载力研究

楔形变截面H型钢构件设计中常采用高而薄的腹板,这样能够充分发挥翼缘的承载能力,节省材料。如此虽然可能引起腹板的局部屈曲,但板件的屈曲并不意味着构件承载能力的丧失。应用非线性板壳有限元分析方法,对变截面压弯构件平面内稳定极限承载力进行了分析。在考虑腹板局部屈曲和构件整体屈曲相关作用的同时,系统地分析与评价了腹板宽厚比、翼缘宽厚比、构件长细比和楔率等对压弯构件平面内稳定极限承载力的影响,并与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)的计算结果进行了比较,结论可供工程设计参考。     

宽薄腹工形截面压弯构件的平面外稳定设计

《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶2002)关于宽薄腹工形等截面压弯构件的平面外稳定计算,虽然基本原理相同,但具体方法差别很大。通过对试验数据、数值法的分析结果与按这两种方法的结果比较,发现“规范”的方法在很大范围内偏于保守,不甚合理;而“门规”的方法更为经济合理,建议规范也采用“门规”的方法对宽薄腹工形截面压弯构件的平面外稳定进行计算,使设计更加统一,经济合理。     

冷弯薄壁C型钢绕强轴偏心受压构件的极限承载力

冷弯薄壁型钢结构多采用有效截面法对构件承载力进行计算,该方法计算繁杂且未考虑构件的畸变屈曲性能。直接强度法采用全截面计算各类参数,能够考虑各种单独屈曲模式及其相关屈曲对构件稳定性能的影响,但目前该方法并不能应用于压弯构件。对冷弯薄壁C形钢绕强轴偏压构件的稳定性能进行参数分析,探讨了构件长度、偏心距、腹板高厚比、翼缘宽厚比和卷边高厚比等因素对构件承载力的影响规律。结合有限元分析结果,基于轴压构件和纯弯构件的直接强度法公式,提出了冷弯薄壁型钢绕强轴偏压构件的极限承载力计算方法。     

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。     

钢构件屈曲后强度设计适用方法

文章分析了钢结构设计中板件屈曲后强度应用设计问题,分别阐述了普通钢结构、冷弯薄壁结构中轴压、拉压弯、弯剪构件的有效截面计算,屈曲后强度应用适用条件和设计方法,对门式刚架轻型房屋钢结构的梁柱设计分别按受弯构件、压弯构件的强度计算和稳定验算进行了较为细致的论述,明晰了一般钢构件屈曲后强度设计的适用方法。     

中外钢结构规范腹板有效宽度确定方法对比

当组成钢构件截面的板件长细比超过限值时,必然引起构件的整体承载能力降低。此时,对于腹板,采用有效截面的概念利用屈曲后强度。对腹板有效宽度的取值各种钢结构规范规定不一,通过对比分析发现,我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的规定偏于安全。     

Q460高强度钢焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲有限元分析

采用有限元法分析了高厚比超限的Q460钢焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲的极限承载力,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比和荷载相对偏心率对其相关屈曲承载力的影响,提出了Q460钢焊接工字形截面压弯构件的局部和整体弯扭相关屈曲极限承载力修正计算公式。研究表明:有限元模型能够较好地模拟焊接工字形截面压弯构件局部和整体弯扭相关屈曲极限承载力;腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比及荷载相对偏心率增大均会导致构件无量纲化极限承载力降低;基于《钢结构设计规范》(报批稿)GB 50017提出的修正公式计算值与有限元计算值吻合较好。     

冷弯薄壁型钢受弯构件局部屈曲性能研究

采用有限条程序CUFSM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受弯构件局部屈曲应力进行分析,计算结果与试验值吻合较好。利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GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》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。     

薄腹工字形截面轴压构件有效面积计算方法比较

对各国规范以及Winter公式关于工字形截面构件有效宽度的计算公式进行简要介绍,并采用各国规范方法和有限元数值模拟对腹板不同宽厚比和构件不同长细比的工字形截面轴压构件有效面积进行计算和分析。结果表明:《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)在腹板宽厚比较大时有效面积过于保守,《钢结构设计规范》(GB50017—2003)、欧洲规范(E3-1.5:2006)对于长细比较大构件有效面积过于保守,《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002)、美国规范(AISC:2005)以及Winter公式与数值结果吻合较好,且有一定的安全度,建议对于薄腹工字形截面轴压构件有效面积可采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002)计算方法进行计算。     

《钢结构设计规范》(GB50017—2002)焊接工字梁腹板的局部稳定和考虑屈曲后强度的计算

与现行《钢结构设计规范》(GBJ17—88)相比,新修订的《钢结构设计规范》(GB50017—2002)对焊接工字梁腹板屈曲临界应力和局部稳定的计算作了较大的改动,增加了梁腹板考虑屈曲后强度设计的相关条文。对弯矩、剪力和局部压力单独作用下的腹板屈曲临界应力作了修正,考虑了板件的几何缺陷和材料非弹性性能,对于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或不考虑腹板屈曲后强度的焊接工字梁,要求按规定配置加劲肋,并验算腹板的局部稳定性,计算局部稳定的相关公式随着临界应力的修正也作了相应的调整;建议承受静力荷载和间接承受动力荷载的焊接工字梁宜考虑腹板屈曲后强度,按考虑腹板屈曲后强度来计算梁的的抗剪和抗弯承载力,而不再验算腹板的局部稳定。本文详细介绍了规范条文修改的理论依据,比较了新旧设计方法的差异,并通过设计实例说明了新设计方法的优越性。     

宽薄腹工形截面压弯构件的平面内稳定设计

钢结构设计规范(GB50017-2003)、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS1022002)关于宽薄腹工形等截面压弯构件的平面内稳定计算,虽然基本原理相同,但具体方法差别甚大。通过对试验数据、由数值法所得的分析结果与按这两种方法的计算结果比较,发现规范的方法在很大范围内偏于保守,且不甚合理;而门规的方法更为经济合理,建议规范也采用门规的方法对宽薄腹工形等截面压弯构件作平面内的稳定计算,使设计更加统一,经济合理。     

楔形变截面柱平面内稳定极限承载力研究

应用非线性板壳有限元分析方法对楔形变截面柱的平面内稳定极限承载力进行分析,探讨了腹板高厚比、翼缘宽厚比、楔率和构件长细比等对楔形变截面柱平面内稳定承载力的影响,与此同时考虑了腹板局部屈曲和构件整体屈曲;并与现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)中有效截面法的计算结果进行比较,以期为相关工程设计提供参考。     

薄腹箱形截面构件有效面积计算方法研究

对《钢结构设计规范》（GB50017—2003）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）、美国规范（AISC：2005）、欧洲规范（E3-1．5：2006）以及Winter公式受压板件有效宽度的计算公式进行了简要介绍,并采用各国规范对翼缘和腹板不同宽厚比的箱形截面构件有效面积进行了计算和分析,结果表明在不同翼缘和腹板宽厚比的情况下欧洲规范和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）由于考虑了翼缘和腹板的有效宽度,具有较好的适用性,稳定性较好,因此建议对于箱形截面构件有效面积可采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）的计算方法进行计算。     

Ⅰ形截面钢构件腹板屈曲后强度利用

介绍轻型门式框架I形截面钢构件腹板的设计原则和方法.首先从防止受压翼缘压入腹板来分析腹板高厚比的最大限值,其次分别论述腹板受剪屈曲后的极限剪力计算、受弯或压弯屈曲后有效宽度的确定,以及正应力和剪应力联合作用下屈曲后相关关系的计算.     

Q550钢焊接箱形截面压弯构件的局部稳定和屈曲后强度

通过12个Q550D钢短柱的单向偏压试验,研究高强钢焊接箱形截面压弯构件的局部稳定性能和极限承载力;将极限承载力与美国、欧洲和中国钢结构设计规范相关公式计算结果相比较,以验证各规范对Q550D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算的适用性。结果表明,在翼缘宽厚比b/t=27.9～56.1,腹板高厚比h/t=40.5～80.1,偏心距e_y=20～50mm,欧洲和中国规范中的相关公式有较高精度,仍然适用于550D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算,而美国规范中相关公式有时偏不安全。     

对称轴平面内偏心受压冷弯薄壁卷边槽钢承载力直接强度法对比研究

在GB 50018《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(修订稿)的轴压及纯弯构件承载力直接强度法公式的基础上,结合我国实际,开展了对称轴平面内偏心受压构件承载力直接强度计算方法的研究,分析了截面有效形心偏移对计算结果的影响。采用所提出的未考虑有效形心偏移和考虑有效形心偏移的直接强度法计算了42个荷载偏向卷边侧和48个荷载偏向腹板侧的偏压试件的稳定承载力,并与GB 50018—2002和GB50018修订版中有效宽度法的计算结果进行了对比。试验值与计算值之比的平均值表明:考虑有效形心偏移比未考虑有效形心偏移的直接强度法的平均值更接近于1.0;变异系数的结果表明:考虑有效形心偏移的直接强度法和修订有效宽度法的离散性都比现行有效宽度法小。     

压弯钢构件在循环荷载作用下的非线性弯扭屈曲

本文根据非线性有限元的基本理论,采用基于修正的拉格朗日法描述的八节点超参数壳体单元,考虑几何非线性和材料非线性,结合混合强化本构关系,编制了非线性有限元计算程序。对压弯钢构件在循环荷载作用下的弹塑性弯扭屈曲进行计算机模拟,系统分析了H形截面压弯钢构件的滞回特性,以及翼缘宽厚比、腹板高厚比、构件轴压比和长细比对压弯钢构件弯扭屈曲的影响规律。通过对计算结果的比较,提出了强烈地震条件下,H形截面压弯钢构件在循环荷载作用下保持整体稳定,满足延性要求,具有较高屈曲后强度的长细比和板件宽厚比限值。     

不锈钢薄腹梁受剪性能试验研究

通过对7根不锈钢薄腹梁进行受剪性能试验研究,分析了梁腹板的剪切屈曲和屈曲后强度。结果表明：所有梁均发生剪切屈曲破坏,薄腹板中形成拉力带,上翼缘和横向加劲肋中出现塑性铰;根据腹板表面应变和侧向鼓曲变形测得的剪切屈曲应力均低于理论计算的弹性剪切屈曲应力;梁的受剪承载力显著高于腹板剪切屈曲时的荷载,具有较高的屈曲后强度;梁端设置封头肋板可以提高梁的受剪承载力。基于得出的试验结果及现有其他试验数据,对两种考虑腹板屈曲后强度的受剪承载力计算方法进行评估,我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的公式仅考虑了腹板的受剪承载力,其计算结果总体偏于保守,但是对腹板高厚比较小(λs<1.5)的不锈钢薄腹梁,受剪承载力计算偏于不安全,且计算结果离散性较大;EN 1993-1-4中的计算公式中同时考虑了腹板和翼缘的受剪承载力,其计算结果偏于保守且离散性较小。     

开长圆孔轴压构件畸变屈曲承载力试验

对26根腹板开长圆孔和未开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析构件的屈曲模式和极限承载力。利用现行国家规范GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、北美冷弯钢结构构件设计规范AISI S100-2012计算构件承载力及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较。在此基础上,对腹板开长圆孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明:对于中等长度腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件主要出现局部、畸变和整体屈曲的相关作用;腹板开孔对构件畸变屈曲稳定承载力有一定的降低作用;采用折减构件有效截面面积的修正方法可计算开长圆孔构件的畸变屈曲稳定承载力。