卷边翼缘工形构件在压弯荷载作用下的稳定承载力设计理论

卷边工形截面构件作为一种高效型材,在弯矩与轴力共同作用下的破坏模型常常是伴随板件局部屈曲的整体失稳。利用板壳有限单元法,研究卷边工形截面构件在板件局部屈曲下的构件整体稳定承载力,建立其稳定承载力设计公式。首先,通过设计大量算例,研究了截面宽高比、腹板高厚比、翼缘宽厚比等截面参数对短柱承载性能的影响,其中考虑了板组之间屈曲的相关作用,获得了考虑板组局部屈曲特性的短柱稳定承载力相关公式。在短柱板件局部失稳承载力研究的基础上,计入构件长细比对长柱面内和面外稳定承载性能的影响,通过数值分析建立了卷边工形构件在压弯荷载作用下的稳定承载力设计公式。     

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。     

G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件力学性能与设计方法

为了研究高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的力学性能和设计方法,对3种板件加劲形式的G550高强冷弯薄壁型钢槽形截面受弯构件进行了试验研究和有限元参数分析。结果表明,板件加劲形式对高强冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲模式和受弯承载力有显著影响,翼缘V形加劲比腹板V形加劲能够更有效地提高构件抗弯承载力,构件抗弯承载力的变化规律与屈曲模式有关。根据有限元参数分析结果,在已有直接强度法基础上回归出适用于高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的直接强度法修正公式。     

高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定性

应用ANSYS有限元,分析了Q460高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定性能,提出了可供实际应用参考的设计公式。分析中考虑的主要参数有腹板高厚比,构件长细比,翼缘宽厚比及荷载偏心率。结果表明,对受压为主的构件,腹板局部屈曲对构件稳定承载力影响较大,而对受弯为主的构件,这一因素对构件稳定承载力影响较小。有限元分析结果与现行规范方法计算结果比较表明,目前规范方法尚不能较好地计算高强钢焊接薄腹工形截面双向压弯构件的稳定承载力,因而提出了修正直接强度法,该法精度较好且偏于安全。     

热轧方、矩钢管受弯构件承载力设计方法研究

研究非薄柔截面热轧方、矩钢管抗弯极限承载力的设计方法。采用有限元软件ABAQUS建立考虑残余应力和初始几何缺陷的数值模型,并将有限元结果与已有试验结果进行对比,以验证有限元模型的可靠性。参数分析了不同截面高宽比以及板件宽厚比的受弯构件极限承载力,将有限元计算结果与欧洲EN1993-1-1标准、美国ANSI/AISC 360-10标准和GB 50017—2003《钢结构设计规范》以及连续强度设计方法计算结果进行对比,研究当前各类设计方法的精确度。EN 1993-1-1和GB 50017—2003利用构件板件宽厚比,将截面抗弯承载力划分为塑性设计以及弹性设计,计算结果存在不连续性;ANSI/AISC 360-10采用以屈服弯矩和塑性弯矩为端点的线性设计曲线对非厚实截面进行设计,使得非厚实截面的部分计算结果偏于保守。基于数值计算结果建议将GB 50017—2003中热轧方、矩钢管的塑性发展系数取为1.1。相比现有标准中推荐的设计方法,连续强度设计方法反映了截面承载力与构件截面正则化宽厚比的连续关系,并能有效利用非薄柔构件钢材应力强化的性能,是一种更为有效的设计方法。     

箱形截面构件局部与整体相关稳定承载力的直接强度设计法

直接强度法(direct strength method)是薄壁截面稳定承载力设计的一种非常简便且比较精确的设计方法,有逐步取代薄壁截面有效宽度法的趋势。应用大挠度弹塑性板壳单元对箱形柱的局部与整体相关稳定承载性能进行详细的分析,通过变化截面板件宽厚比(D/t)、截面的边长比(B/D)、构件的长细比(λ),并考虑构件实际的残余应力与几何初始缺陷,分别获得了箱形截面构件在承受轴向压力、纯弯曲以及弯矩与轴力共同作用下的稳定承载力计算公式。这些实用的计算公式摒弃了应用有效宽度法带来的误差及繁琐计算,采用直接强度法设计,其计算公式精度高,应用方便灵活,对进一步修订钢结构设计规范及工程设计有参考价值。     

690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件承载力直接强度法研究

与有效宽度法和有效屈服强度法相比,直接强度法更简单.采用ANSYS有限元软件建立模型分析了名义屈服强度fv为690MPa高强钢薄壁方形截面轴压构件的极限承载力,并和直接强度法、修正的直接强度法相比较.主要参数:板件宽厚比b/t=23,30,40,50和60;构件长细比λ=20,30,40,50,60,70,80和90.研究结果表明:对fy=690MPa的薄壁方形截面(b/t＞20)轴压构件,采用直接强度法和修正直接强度法计算时,其稳定系数采用《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)中的a类曲线;对长细比70≤λ≤90的构件,3种方法均偏保守;对长细比20≤λ＜70的构件,在大部分宽厚比范围内,Kwon等提出的修正直接强度法能较好地预测有限元计算结果,直接强度法偏于不安全,Shen Hongxia提出的修正直接强度法偏安全.     

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。     

焊接箱形截面稳定承载力的直接强度设计法

现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》对焊接箱形截面构件在考虑壁板局部失稳后的稳定极限承载力的设计规定还相当粗糙,按腹板高度边缘范围内两侧宽度各为20tw计算有效面积,未能与构件整体稳定性建立有效的联系。采用板壳单元,精确地模拟了箱形截面构件的壁板局部失稳及其相互作用,在大挠度、弹塑性范围内对箱形截面的稳定极限承载性能进行了研究。在大量数值分析的基础上,分别归纳总结了箱形截面构件在承受轴向压力、纯弯曲以及弯矩与轴力共同作用下的稳定极限承载力简化计算公式,对箱形截面构件稳定承载力计算及设计有参考价值。这种把构件稳定承载力设计与构件几何尺寸建立直接关系的直接强度设计法,会改进采用有效宽度法产生的误差,可以为薄壁结构相关技术规程修订时参考。     

冷弯薄壁U型钢轴压短柱承载力计算的直接强度法研究

现行北美冷弯型钢规范中直接强度法只适用于卷边C形、腹板加劲C形、Z形、R形和帽形这些截面形式较为简单的单肢截面,但并未涉及U形截面。为研究直接强度法对冷弯薄壁U型钢轴压短柱的适用性,采用ABAQUS非线性有限元分析了16种截面尺寸、4种厚度的64根试件,并对有限元模拟得到的极限承载力、部分学者试验结果进行回归,最终得到考虑U形截面屈曲后强度的局部屈曲承载力曲线。结果表明:现有的直接强度法公式计算结果偏于不安全,对现有的直接强度法公式进行了简单的修正,修正后的直接强度法计算式精度更高。     

高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件的稳定承载力

采用ANSYS软件建立有限元模型分析了Q460钢焊接薄壁箱形截面双向弯曲压弯构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷和材料缺陷,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,研究了构件长细比和板件宽厚比对极限承载力的影响;探明构件达到极限承载力时真实的应力分布状态;提出了采用毛截面计算其承载力的简单计算公式;收集可获得的试验结果以验证提出的计算公式。研究表明,建立的有限元模型能够很好地模拟焊接箱形截面双向偏心压弯构件的局部-整体相关屈曲性能;在大部分情况下,无量纲极限承载力与构件长细比和板件宽厚比近似为线性关系;构件达到极限承载力时还处于弹性阶段;轴力和双向弯矩之间的相关曲线也近似为线性;引入屈服强度修正系数后,基于线性相关关系的计算公式能够很好地预测Q460钢薄壁双向压弯构件的极限承载力;该公式还可推广到普通钢构件和更高强度的钢构件。     

不锈钢焊接工字形截面轴压构件局部屈曲分析

采用有限元方法对不锈钢焊接工字形截面轴心受压构件的局部稳定性能进行深入研究,根据现有的相关试验数据对所建立的有限元模型的准确性进行验证,基于验证可靠的非线性有限元数值模型,对不锈钢材料力学性能、构件局部几何初始缺陷和焊接残余应力等关键参数进行分析,得到了覆盖面较广的计算结果。结合所得的数值计算结果和现有的试验数据,对欧洲不锈钢结构设计规范EN 1993-1-4中的宽厚比限值和有效宽度计算公式进行评估,在此基础上提出针对加劲板件与非加劲板件的局部屈曲宽厚比限值和屈曲后强度修正计算公式。     

各国规范轴心受压构件相关稳定设计方法对比分析

钢结构轴心受压构件在板件宽厚比超过一定范围时会发生整体局部相关失稳。介绍美国、欧洲、中国和英国4种钢结构设计规范中关于轴心受压构件相关稳定的设计方法,并以焊接工字型截面轴心受压构件为例对各种规范的设计方法进行对比分析。美国钢结构设计规范通过引入屈曲折减系数Q对强度进行折减的方法考虑板件局部屈曲的影响,欧洲和英国钢结构设计规范均采用有效截面面积考虑板件的局部屈曲,并对构件长细比进行一定程度的折减。我国钢结构设计规范对于轴心受压构件相关稳定的设计方法仍需进一步研究和完善。     

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。     

腹板开圆孔冷弯卷边槽钢轴压构件畸变屈曲承载力试验及计算方法

对26根屈服强度为235 MPa的腹板开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。将我国及北美相关规范计算的构件承载力以及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较,并对腹板开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孔构件的畸变屈曲稳定承载力;非线性有限元方法可用于腹板开孔冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式和极限承载力的分析。     

带腹板加劲肋高强薄壁钢柱局部稳定研究

为提高局部稳定承载力,提出了带腹板加劲肋的高强薄壁钢柱的截面型式,并对于不同截面型式的短柱试件进行了轴压试验。同时建立了有限元模型并与试验结果相验证,基于试验结果和有限元分析研究了试件的局部稳定。分析了现有直接强度法设计公式对于该类型截面柱的适用性。结果表明:直接强度法低估了腹板加颈肋的作用。     

Q550GJC焊接H形钢柱截面宽厚比限值分析

为研究屈服强度为550 MPa及以上的钢构件的局部屈曲,考虑到构件局部屈曲与其截面的板件宽厚比有密切联系,借助ANSYS有限元分析软件,对Q550GJC高强度焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值进行分析。通过考虑构件的材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷和焊接残余应力等影响,对钢柱进行压弯滞回计算,得到构件的骨架曲线,并从中计算出构件的延性系数。结果表明:得到的Q550GJC焊接H形钢柱截面板件在地震作用下的宽厚比限值符合GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定。     

发生畸变屈曲的纵向加劲板的受压试验

采用厚4.0mm,名义屈服应力为235.0MPa的中厚钢板制作板件,并分别设置不同刚度的纵向加劲肋,对此纵向加劲板进行受压破坏试验。对发生畸变屈曲或局部与畸变相关屈曲的纵向加劲板的受压极限承载力和性能进行试验和理论研究,结果表明:临界屈曲模式主要取决于纵向加劲肋的刚度和母板的宽厚比。对于某些加劲板,局部屈曲和畸变屈曲之间的相互作用非常明显。畸变屈曲构件和局部与畸变相关屈曲构件展示了较大的后屈曲强度。研究纵向加劲板的的畸变屈曲强度曲线。采用直接强度法提出设计强度简化公式,用于考虑纵向加劲板的畸变屈曲及局部与畸变相关屈曲。将强度曲线与试验和有限元结果对比,验证了曲线的正确性。通过试验研究,得出有关纵向加劲板的屈曲性能的一些结论。     

热轧方矩管连续梁塑性承载力研究

为研究热轧方矩管连续梁在荷载作用下的塑性承载力,采用有限元软件ABAQUS建立考虑几何初始缺陷和残余应力的有限元模型。基于已有的试验数据,验证了建立的有限元模型的正确性,分析钢材的强度等级、截面高宽比、板件宽厚比、集中荷载作用位置对连续梁塑性承载力的影响。将有限元结果与连续强度法、欧洲规范EN 1993-1-1的计算结果进行对比。结果表明:对于欧洲规范中的Ⅱ类截面,塑性设计建议允许适用。与现有设计方法对比,连续强度法是一种更为有效的设计方法,能够很好地考虑塑性重分布。最后,基于大量的数值研究,提出了适合连续梁塑性设计的截面相对宽厚比的建议值。     

冷弯薄壁型钢构件的直接强度设计法

受压或受弯的冷弯薄壁卷边槽钢有板件局部屈曲，截面畸变屈曲和整体弯曲屈曲或弯扭屈曲三种模式。本文着重介绍板件的相关屈曲和计算截面畸变屈曲应力的方法并阐述了三种屈曲模式之间的相关关系。指出用传统的有效截面设计法计算受压和受弯冷弯薄壁卷边槽钢承载力的弊端，较详细地说明了用构件全截面计算的直接强度设计法。