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。     

工字梁腹板和钢板剪力墙剪切屈曲系数分析

目前工字梁腹板和钢板剪力墙抗剪设计中分别假定翼缘和周边框架为钢板提供简支约束,再通过乘以1.23的嵌固系数来考虑周边构件的约束作用,而不考虑翼缘或周边框架的刚度。本文对剪切荷载作用下工字梁腹板和钢板剪力墙的弹性屈曲进行了有限元分析,指出与周边构件扭转刚度和钢板弯曲刚度的比值有关的参数β可以准确地衡量周边构件对钢板的约束程度。在对1000多个模型计算结果分析的基础上,给出了工字梁腹板和钢板剪力墙剪切屈曲系数随参数β的变化规律。     

焊接楔形波纹腹板工字钢梁整体稳定性能研究

建立焊接楔形波纹腹板工字钢简支梁在不等端弯矩作用下的平衡微分方程,并采用有限积分法编写程序求解,提出楔形波纹腹板工字钢简支梁在不等端弯矩作用下临界弯矩的建议公式。将拟合公式计算结果与ANSYS特征屈曲分析进行比较,表明ANSYS特征屈曲分析与弹性理论吻合较好。利用ANSYS特征屈曲分析,拟合得到楔形波纹腹板工字钢简支梁和悬臂梁在6种典型荷载工况(集中荷载和均布荷载分别作用于上翼缘、剪心、下翼缘)下弹性临界弯矩的实用设计公式。在此基础上,通过ANSYS弹塑性稳定分析提出并验证楔形波纹腹板H型钢梁弹塑性稳定极限承载能力计算公式。最后进行5根楔形波纹腹板工字钢悬臂梁在自由端上翼缘单点加载的整体稳定试验,并将试验结果与ANSYS弹塑性分析结果及实用设计公式的计算结果进行对比,验证ANSYS有限元分析的合理性以及实用设计公式的可靠性。     

弹性转动约束的钢-混组合梁腹板剪切屈曲试验研究

基于里兹能量法与弹性板件理论推导钢-混组合梁腹板弹性转动约束系数χt计算公式与边界弹性转动约束的腹板剪切临界屈曲应力计算公式。由计算公式可知,钢-混组合翼缘弹性转动约束系数χt的主要影响因素为剪力钉的纵向间距s与横向间距li,且翼缘的弹性转动约束对腹板剪切临界屈曲应力有决定性影响。为验证弹性转动约束系数χt与腹板剪切临界屈曲应力计算公式,进行了一组7片钢-混组合梁试验,考察组合翼缘剪力钉布置的纵向间距s、横向间距li两个变量对腹板弹性转动约束系数以及临界屈曲应力的影响。通过对组合试验梁结果与该文理论方法计算的边界弹性转动约束的腹板临界屈曲应力结果进行比较,发现两种结果变化趋势一致,误差不超过11.6%,验证了之前提出的计算公式的正确性。     

不锈钢工字型梁抗剪承载力的参数分析

为了解不锈钢工字型梁的极限抗剪承载力,利用通用软件ABAQUS对不锈钢工字型梁进行了有限元分析,考虑的参数有腹板宽度、腹板厚度、翼缘宽度和厚度等。分析结果表明:不锈钢工字型梁的破坏机理同普通碳素钢梁,均在腹板内形成拉力场,翼缘仅对腹板屈曲后的承载能力产生明显的影响;若腹板宽度过大,考虑到极限承载后的不稳定性以及低延性等因素,建议不锈钢工字型梁腹板的宽度不易大于腹板高度的2倍。     

铝合金工字形截面的抗剪承载力研究

提出了考虑腹板屈曲后强度和翼缘约束效应的铝合金工字形截面的抗剪设计方法,并给出实用的建议设计公式。采用有限元方法模拟铝合金工字形截面的受力变形,并对已有工字形截面的抗剪承载力计算理论进行分析。有限元方法得出的荷载-位移曲线反映出铝合金工字形截面腹板弹性剪切屈曲力相当低,而构件整体抗剪承载力却相对较高,传统钢构件的设计方法不能准确反映其实际抗剪能力。在此基础上指出对于铝合金材料制成的工字形截面,抗剪设计公式应准确、方便的计算腹板受剪屈曲后承载力和翼缘对截面抗剪承载力的贡献。经数据比对,建议设计公式的计算结果和Hamoodi M J、Burt C A和Evans H R的试验资料及现行的欧洲铝合金规范公式计算结果吻合,且公式计算简捷。     

矩形管空翼缘梁稳定性能分析

提出一种新型的矩形管空翼缘梁(RHFB)。应用ANSYS有限元软件对矩形管空翼缘梁的稳定承载力进行了研究,分析了跨度变化、加劲肋、腹板开孔对屈曲模式的影响,对部分构件采用Trahair多曲线设计法进行了一定数量的算例分析,将计算结果与考虑双非线性的有限元分析结果进行了比较,吻合较好。     

π形截面轴心受压构件局部稳定试验研究

为研究π形截面轴心受压构件局部稳定性能,对9根Q345B焊接π形截面钢构件进行了轴心受压承载力试验。分析了构件局部屈曲模态随板件宽厚比的变化规律,通过试验及理论计算得到了π形截面翼缘与腹板嵌固系数取值,将试验结果与现行钢结构设计规范计算结果进行了对比分析。研究表明:对于π形截面构件,中间翼缘嵌固系数可取定值1.0,腹板嵌固系数可取1.20,外伸翼缘受腹板的嵌固作用大小与两者相对尺寸有关;ANSI/AISC 360-2010中对宽厚比超过限值的屈曲承载力计算方法对于π形截面构件偏于保守;采用EN 1993-1-5和GB 50017—2017局部屈曲后承载力计算式的计算结果与试验结果吻合较好,可以很好地预测π形截面构件局部屈曲后承载力。     

冷弯C型或Z型钢截面受弯时的畸变屈曲

对C型或Z型檩条受弯时的畸变屈曲进行分析,指出了目前澳大利亚和美国规范采用薄壁构件理论分析畸变屈曲的方法,过高估计了翼缘-卷边的刚度,因而采用降低腹板对翼缘约束的方式,使得结果符合有限条方法的结果。通过采用卷边等效抗弯刚度,对翼缘采用板件理论研究,推导了腹板对翼缘的约束刚度计算公式,并将其用于翼缘-卷边的畸变屈曲计算和局部屈曲计算,与有限元方法的计算结果对比表明,得到的屈曲系数精度良好且偏安全。     

碳素方钢管腹板屈曲性能试验研究

对碳素方钢管在集中荷载作用下的腹板屈曲性能进行单调加载的试验研究。实施50个不同边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度的碳素方钢管试件的腹板屈曲性能试验。介绍了碳素方钢管腹板屈曲试验方案,描述了碳素方钢管在端部和内部集中荷载作用下的破坏模式,给出荷载-端位移曲线以及腹板区域应变强度分布曲线,并将边界条件、加载条件、支承板宽度和截面高度对碳素方钢管腹板屈曲极限承载力和延性的影响进行讨论。试验研究结果表明:碳素方钢管腹板屈曲极限承载力随着支承板宽度的增大而增大;当支承板宽度为50mm和100mm时,腹板高厚比为18时极限承载力达到最大;当支承板宽度为150mm时,腹板高厚比为12.55时腹板屈曲极限承载力达到最大;腹板高厚比为24.67时达到腹板屈曲极限承载力的最小值。受压腹板中部应变测点全部进入塑性并最终形成塑性铰区域。内部一侧翼缘加载(IOF)的极限承载力最高,内部两侧翼缘加载(ITF)的极限承载力次之,端部一侧翼缘加载(EOF)和端部两侧翼缘加载(ETF)的极限承载力最低。有限元方法较好地模拟了试验破坏模式和极限承载力。采用中国钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值远大于其腹板屈曲极限承载力试验值,中国钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏于危险;采用欧洲钢结构设计规范的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算值又远小于其腹板屈曲极限承载力试验值,欧洲钢结构设计规范用于腹板屈曲承载力的计算偏保守。提出的碳素方钢管腹板屈曲极限承载力计算公式则较好地预测了试验值。     

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs is an important issue for the design of box girder bridges with trapezoidal corrugated steel webs. Eight H-shape steel girders with trapezoidal corrugated webs are firstly tested to investigate the shear behavior of webs. An extensive parametric study based on the linear elastic buckling analysis is then conducted to derive the simplified formula for calculating the elastic shear buckling strength of trapezoidal corrugated steel webs considering three different shear buckling modes. The proposed formula can give more satisfactory results for predicting the elastic shear buckling strength than some available formulae provided in the literature when compared with the numerical results. Furthermore, the nonlinear buckling analysis is conducted to intensively investigate the shear strength associated with initial geometric imperfections, and the formulae of the shear strength are proposed. Good agreements can be observed between the results calculated using the proposed prediction formula in this paper and the experimental results, and a design formula is also recommended for the routine shear design of trapezoidal corrugated steel webs.     

圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力

针对再生混凝土相对普通混凝土延性较差、承载力较低的特点,利用钢管和钢筋笼对再生混凝土的约束作用,将钢筋再生混凝土灌入圆钢管中形成圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行研究。基于极限分析法、套箍理论以及双剪统一强度理论,考虑钢管和钢筋笼的双重约束效应,提出了一套包含钢管径厚比、约束效应系数、含钢率以及再生粗骨料取代率等影响因素的圆钢管钢筋再生混凝土短柱轴压承载力计算方法。在理论推导的基础上,考虑短柱的非线性、钢管与再生混凝土的滑移影响,采用ABAQUS有限元软件对圆钢管钢筋再生混凝土短柱进行建模分析; 将理论公式值、有限元仿真结果以及相关文献试验数据进行对比,验证公式的有效性与适用性。结果表明:加了钢筋笼的圆钢管钢筋再生混凝土比圆钢管再生混凝土短柱轴压承载力提高10%左右,研究结论可以为实际工程的应用提供理论基础。     

Shear buckling strength and design of curved corrugated steel webs for bridges

This paper presents the shear buckling strength and design of curved corrugated steel webs for bridges considering material inelasticity. The inelastic buckling strength is determined from buckling curves based on the proposed shear buckling parameter, which is a function of the elastic shear buckling strength of steel web and the material shear yielding strength. A finite element analysis is carried out to study the geometric parameters affecting the shear buckling strength of curved corrugated steel webs for bridges. Based on the numerical results, a shear buckling parameter formula is proposed with no need to calculate either local, global, or interactive buckling parameters. But it depends on the geometric properties of the curved corrugated web profile. Another formula is presented to maximize the shear buckling capacity of curved corrugated web. The proposed formulae agreed well with the published experimental data. The curved corrugated webs produce a tremendous increase in the shear buckling strength and considerable weight saving in regard to the corresponding trapezoidal corrugated webs. The corrugation angle has a considerable effect on the behavior of curved corrugated webs, where higher corrugation angles produce a tremendous increase in the shear buckling strength of curved corrugated webs. It was found that the proposed approach provides a good prediction for the shear buckling strength of curved corrugated steel webs of bridges.     

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs

Corrugated webs are used to increase the shear stability of the steel webs of beams and girders and to eliminate the need for transverse stiffeners. This paper focuses on the shear strength of corrugated steel webs with trapezoidal corrugations. Previously developed formulas for predicting the shear strength of steel trapezoidal corrugated webs, along with the corresponding theory, are summarized. A new formula is developed, which considers interaction among the various shear failure modes. More than 100 test results from previous research are organized and evaluated according to relevant test specimen parameters. The conditions of many of these tests are found to be inconsistent with the theoretical conditions assumed in deriving the shear strength formulas. The various formulas for predicting shear strength are then compared with selected test results. The new formula is shown to be more accurate than previous formulas for estimating the shear strength of corrugated steel webs.     

钢管混凝土平缀管格构柱换算长细比计算方法

分析了现有钢管混凝土平缀管格构柱换算长细比计算方法的假定条件和计算式,并将各方法计算的极限承载力与试验结果进行对比;以格构柱剪切柔度理论为基础,对钢管混凝土平缀管格构柱各变形项与总剪切变形量的比值进行分析,指出现有换算长细比计算方法的不合理之处。借鉴钢管混凝土（斜缀条）格构柱换算长细比乘法算法的计算思路,在剪切系数计算式中采用考虑节点构造参数影响的剪切柔度简化计算式,拟合得到放大系数与剪切系数的关系式。结果表明:采用所提出的换算长细比计算方法及GB 50923—2013中稳定系数计算方法得到的计算结果与试验结果吻合良好,证明该方法简单、实用且具有足够的精度。     

Study on shear resistance of aluminum alloy I-section members

The design method for the shear resistance of aluminum alloy I-section members is presented, taking into consideration of the post-buckling strength of webs and the restraint effect of flanges, and the practical design formulas are proposed. The deflection of aluminum alloy I-section members under concentrated load is simulated by using the finite element method, and several design theories are discussed. The relation of shear resistance to the maximum web displacement reflects that the web of aluminum alloy I-section member is under fewer shears buckling force, while the whole member has higher shear resistance. However, the traditional design method is not able to give the real shear resistance of aluminum alloy I-section members. The proposed design formulas for the shear resistance of aluminum alloy I-section members is used to calculate accurately the post-buckling resistance of webs and the shear resistance contribution of flanges. The results are in a great agreement with the test data of Hamoodi M J, Burt C A, Evans H R and the results from Eurocode9 formulas.     

Shear capacity of connect construction between corrugated steel web and concrete lower slab

为改善波形腹板与底板连接构造混凝土浇筑质量与耐久性能,提出翼缘钢板下移至混凝土板底面,开孔板连接件垂直焊接于波形钢板并贯穿钢筋的下包型连接构造。通过设计具有不同开孔板厚度、形状及焊接宽度等参数的连接构造试件,开展标准推出试验,研究其受剪承载力、抗剪刚度、剪切破坏模式以及相对滑移特征。在试验研究的基础上,考虑钢材理想弹塑性、混凝土塑性模型以及钢-混凝土界面非线性接触,建立适用连接构造受剪分析的精细有限元模型,分析结果与试验结果吻合较好。通过验证的有限元模型进行参数分析,结果表明,增加开孔钢板的厚度和混凝土的抗压强度可有效提高受剪承载力。最后,基于模型试验与有限元参数分析结果,提出布置开孔板连接的下包型构造受剪承载力的计算式,可对开孔钢板连接面外受剪承载力进行较为准确地预测。     

梯形波纹钢腹板的剪切强度

波纹腹板用于提高钢梁腹板剪切稳定性,同时避免横向加劲。研究梯形波纹钢腹板的剪切强度,总结了以往梯形钢腹板的剪切强度公式及相应理论。提出新的剪切强度公式,考虑不同剪切失效模式的相互影响。根据相关试验的试件参数,对100多个试验结果进行整理和分析。大多数试验条件都与剪切强度公式中的理论条件假定不一致。将这些公式与试验进行对比,结果表明:新公式更精确。     

梯形波纹钢腹板的剪切强度

波纹腹板用于提高钢梁腹板剪切稳定性和避免横向加劲。研究梯形波纹钢腹板的剪切强度,总结了以往梯形钢腹板的剪切强度公式及相应理论。提出新的剪切强度公式,考虑不同剪切失效模式的相互影响。根据相关试验的试件参数,对100多个试验结果进行整理和分析。大多数试验条件都与剪切强度公式中的理论条件假定不一致。将这些公式计算结果与试验结果进行对比,结果表明:新公式更精确。     

考虑腹板剪切变形的波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应分析

在波形钢腹板组合箱梁中,剪力主要由波形钢腹板承担。由于波形钢腹板的抗剪刚度比混凝土腹板有较大程度的降低,波形钢腹板会产生较大的竖向剪切变形。为此,基于能量变分法建立了考虑腹板剪切变形的波形钢腹板组合箱梁剪力滞效应分析方法。通过试验对该理论分析方法进行验证,并基于该理论分析方法研究波形钢腹板剪切变形对剪力滞效应的影响。同时,基于该分析方法提出了采用影响线最不利加载方式进行相关规范中规定的汽车荷载作用下的波形钢腹板组合箱梁桥剪力滞效应分析。结果表明：考虑腹板剪切变形的分析方法与试验结果吻合度良好;波形钢腹板的剪切变形有利于减轻三跨连续梁正弯矩区的剪力滞效应,即考虑腹板剪切变形后翼缘有效宽度系数值更接近于1。