Q235钢墙板-Q460高强钢立柱结构体系残余应力分布试验研究

在箱式钢结构中起主要承载作用的侧面墙板-立柱结构体系中,受墙板蒙皮支撑作用的高强钢立柱,其残余应力分布受与墙板焊接连接过程影响,与独立工作焊接H形截面构件有较大差异。为研究Q235钢墙板—Q460高强钢立柱结构体系的残余应力分布规律,采用盲孔法对6个结构体系试件和2个独立Q460高强钢焊接H形截面试件进行了试验研究。基于测量数据,得到了所有试件的全截面残余应力分布,分析了墙板与立柱焊接连接、截面尺寸等因素对残余应力分布的影响,并研究了截面各板件间残余应力的相互影响及自平衡性。结果表明：立柱与墙板的焊接在一定程度上降低了立柱后翼缘中部的最大残余拉应力,减小了后翼缘残余压应力的分布范围,对前翼缘和腹板无明显影响;残余拉应力幅值与截面尺寸无直接关系,残余压应力随着板件宽厚比的增大而减小;各板件间残余应力存在相互影响作用,前翼缘、腹板以及后翼缘与墙板组合板件这3部分分别满足自平衡。提出了适用于Q235钢墙板—Q460高强钢立柱结构体系的较为准确和安全的残余应力分布数学模型,为后续研究受墙板蒙皮支撑的高强钢立柱稳定性奠定基础。     

考虑除尘器箱体墙板-立柱协同受力时立柱在横向荷载作用下的内力计算

大气除尘装备箱体围护结构形式和荷载情况十分复杂,目前尚无关于除尘器箱体立柱在横向荷载作用下其内力分布的精确计算方法。该文采用理论推导与有限元计算相结合的方法对除尘器箱体立柱在墙板直接受横向荷载作用时的内力与强度计算方法进行研究。在考虑墙板所受横向荷载向立柱传递时,将墙板视作由上、下相邻加劲肋和左、右两侧立柱围成的四边简支板,加劲肋处传递集中力,加劲肋间传递非均匀分布荷载。将立柱作为多跨连续弹性梁,采用力矩分配法编写程序计算其最大弯矩和剪力值。根据除尘器箱体立柱的跨数、每跨立柱范围内对应墙板区格数目以及墙板区格宽高比,编制了立柱最大弯矩计算表格。考虑墙板与立柱的协同受力作用,以有效宽度范围内的墙板与立柱组成组合截面共同抗弯,修正立柱正截面强度计算方法。研究结果表明:在墙板与立柱组合结构体系中,随着墙板壁厚增大或墙板宽度减小,墙板的抗弯贡献提高;随着立柱截面惯性矩增大或立柱横向支撑间距减小,墙板的抗弯贡献降低。根据对工程常用几何构造的除尘器箱体结构计算统计,偏于安全地提出了立柱截面模量统一放大系数。相比于传统工程简化内力计算方法,工程设计人员可以利用该文提出的方法方便、准确地计算立柱内力最大截面的正应力和剪应力,从而设计出安全经济的立柱截面。     

波浪腹板变截面压弯构件稳定承载力设计方法和试验研究

波浪腹板变截面压弯构件用做边柱铰接的门式轻钢结构中,主要承担弯矩、剪力与轴力。该文基于现行《门式刚架轻型房屋钢结构规程》CECS102:2002中的相关公式,建立了波浪腹板变截面压弯构件平面内稳定承载力与平面外稳定承载力的设计公式。进行了大量的有限元数值计算,其中通过变化构件的几何设计参数并考虑了各种缺陷(几何初始缺陷与残余应力)的影响,验证了所建立的设计公式的可靠性。进行了两根变截面波浪腹板构件的压弯稳定承载性能的试验研究,考察了其失稳机理及稳定承载力,并与有限元数值分析结果吻合较好。     

电除尘器壳体墙板立柱结构体系缺陷敏感性研究

电除尘器是用于消除大气烟尘的重要环保设备,壳体是其中最重要的工艺部分。壳体墙板为加劲钢板,与立柱连续焊接连接,组成共同承载的结构体系。壳体承受的横向荷载为负压与风荷载,作用在墙板上,壳体承受的竖向荷载主要作用在立柱上。墙板的初始缺陷会影响立柱的承载能力。该文通过非线性有限元方法,研究不同缺陷幅值时,完善结构极值点变形缺陷模态、完善结构非线性分岔点变形缺陷模态、特征值屈曲缺陷模态、墙板正弦波形缺陷模态以及墙板安装过程中的焊接收缩残余变形与残余应力对立柱承载力的影响。当缺陷幅值一定时,各种初始几何缺陷形式中,以完善结构的极值点变形缺陷模态为最不利。墙板安装过程中的焊接收缩引起的残余应力对于立柱承载是有利的,但是提高承载力很小。随着焊接收缩量的增大,残余应力值增大,同时考虑残余应力和残余变形影响得到的立柱承载力比仅考虑残余变形得到的承载力的增加量变大。     

考虑板件相关作用的H形截面压弯钢构件抗弯承载力

对H形截面钢构件绕强轴压弯的极限抗弯性能展开研究。基于经实验校准的非线性有限元模型,进行了不同翼缘宽厚比、腹板宽厚比及轴压比组配下的H形截面钢构件的单调压弯全过程的参数分析,并对破坏模式进行了机理分析。研究表明,翼缘与腹板存在明显的相关作用,而板件屈曲形式决定了极限状态的应力分布形式,因此计算极限承载力时应考虑板件相关作用。以极限状态的应力分布特点为基础,提出了考虑板件塑性阶段屈曲相关作用的有效塑性宽度法计算截面的极限抗弯承载力。经与实验及有限元极限承载力的比较,显示该方法能够准确预测H形截面压弯构件的极限承载力。     

薄壁型钢管/胶合竹板组合空芯柱轴压试验研究

为研究薄壁型钢管/胶合竹板组合空芯柱的轴压性能,进行了3批试件的轴压试验,考察组合柱的破坏形态特征、抗压承载力和变形情况,综合分析了长细比、净截面尺寸、空心率、截面组配形式、横向约束拉杆排数和相对竖向间距比对轴压性能的影响。结果表明:组合柱的破坏形态为端部或中部开胶剥离破坏、柱端竹胶板压溃破坏、端部或约束拉杆间开胶压折破坏以及压曲整体失稳破坏;增大长细比引起失稳破坏的趋势增大,净截面尺寸增大是极限承载力提高的关键因素;截面组配形式能影响组合柱破坏形态特征;设置约束拉杆能提升组合柱的承压稳定性,优化约束拉杆排数和相对竖向间距比的设计,能明显改善材料界面的接触效应而提升承载力。通过非线性回归分析,建立了组合柱的承载力计算方法。     

火灾下加劲肋对梁柱外伸端板连接性能的影响

为深入了解柱腹板加劲肋对外伸端板连接节点耐火性能及破坏模式的影响,采用非线性有限元法研究了加劲肋对外伸端板连接节点耐火性能及破坏模式的影响。结果表明:柱腹板加劲肋对节点的耐火极限及破坏模式影响很大。柱腹板不设加劲肋,柱腹板承拉及承压域内的塑性应变随温度升高不断增加,最终形成塑性铰,柱失稳;只设承压加劲肋时,柱腹板承拉区屈服,导致柱失稳,节点失效;设置承拉及承压加劲肋时,节点域内的塑性应变较小,破坏模式为端板承拉区形成塑性效线并与柱翼缘脱开,引发梁的大转动,导致梁承压下翼缘局部屈曲失稳及梁轴向温度内力减小。梁轴向温度内力的减小有助于柱及整体框架结构火灾下的稳定。     

冷弯薄壁型钢受弯构件承载力与延性优化研究

该文旨在通过改变冷弯型钢的截面尺寸来提高其承载力和延性。基于ABAQUS有限元软件建立已有试验模型,计算了不同尺寸下的腹板翼缘加劲截面和腹板加劲的折叠翼缘截面的抗弯承载力及延性,分析了上述2种截面的几何尺寸与抗弯承载力及延性的关系,并采用人工神经网络(ANNs)和遗传算法(GA)对截面尺寸进行优化;采用逼近理想解排序法(TOPSIS)分别确定了2种截面的最佳截面尺寸并提出截面尺寸的优化设计公式。结果表明:对壁厚为1.5 mm的冷弯薄壁型钢构件,在一定范围内增加截面腹板高度可以提高其抗弯承载力,采用较小的平翼缘宽度可以提高其延性,设置加劲肋的措施可以略微增加结构抗弯承载力但显著提高结构延性;在所研究的截面中,腹板加劲的折叠翼缘截面具有更好的力学性能。     

部分填充钢-混凝土组合柱整体稳定分析

研究采用厚实截面工字钢的部分填充钢-混凝土组合(PEC)柱构件在轴压和压弯作用下的整体稳定性能。利用ABAQUS有限元软件建立PEC柱模型,并对比文献中的实验数据以校核其正确性。应用该模型进行参数分析,考察纵向钢筋、翼缘系杆、截面高宽比等因素对PEC柱稳定极限承载力的影响。根据有限元计算结果选定了原用于纯钢构件的轴压稳定系数,并提出针对轴压和压弯PEC柱的整体稳定设计用公式。     

装配式建筑双槽钢组合截面梁整体稳定系数研究

提出了一种模块化装配式柱贯通梁实腹式钢结构框架体系,对板块拼接形成的双槽钢组合截面梁的整体稳定性进行了研究。首先证明了双槽钢组合截面梁有限元模型建立方法的可行性,然后分析了不同螺栓布置方式下螺栓间距对双槽钢组合截面梁静力性能的影响,得到合理的螺栓间距。对比分析了梁截面高度、翼缘宽度和厚度、腹板厚度、梁长、双槽钢间隙宽度、螺栓布置方式和荷载类型等参数对钢梁整体稳定性的影响,用拟合的方法得到了等效弯矩系数的计算公式以及弹塑性稳定系数和弹性稳定系数的关系公式。通过对纯弯荷载作用下弹性稳定系数计算公式的等效弯矩系数修正和弹塑性修正,得到了不同荷载类型下的弹塑性稳定系数的计算公式。     

波纹腹板H型钢梁受压翼缘局部稳定研究

根据波纹腹板梁翼缘局部失稳的特性提出波纹腹板H型钢梁翼缘局部失稳的理论计算模型,指出波纹腹板梁翼缘失稳相当于两加载边简支,一非加载边弹性转动约束的弹性板。由理论推导得到了翼缘局部弹性屈曲应力计算公式,利用有限元分析验证了该理论模型的有效性。同时探讨了受拉翼缘、梁的长度以及腹板参数变化对受压翼缘局部失稳的影响,最后根据有限元计算结果给出了可供工程设计参考的翼缘宽厚比限值计算公式。     

Q345GJ钢(中)厚板H形及箱形柱残余应力与轴压稳定承载力分析

采用条形切割法对三种截面规格的Q345GJ钢焊接H形和箱形截面残余应力进行测试,通过MATLAB拟合得到其简化的多折线分布模式,并与规范所取残余应力分布模式对比。对9根焊接H形和3根焊接箱形（中）厚板足尺构件进行轴压试验,获得构件整体稳定承载力。引入实测残余应力,通过ABAQUS进行Q345GJ钢轴压柱有限元分析,并与试验结果、规范计算结果进行对比,同时开展参数化分析获得轴压构件稳定曲线。试验及分析结果表明:Q345GJ钢H形和箱形截面采用多折线简化分布模式更符合残余应力实测结果;Q345GJ钢（中）厚板H形截面翼缘采用不分层或考虑分层的残余应力简化模式,对于构件绕弱轴稳定承载力影响不大;Q345GJ钢H形截面实测残余应力分布模式在翼缘自由端处与规范有较大区别,构件在正则化长细比为0.4~1.1区段的稳定承载力有下降趋势。     

薄柔构件钢框架的承载性能特点研究

对轻量化钢结构中具有低延性特征的薄柔构件钢框架进行了研究。介绍了关于大宽厚比H形截面钢构件的系列试验研究结果,阐述了根据抗震承载能力和变形能力要求综合控制构件轴压比、翼缘-腹板组合宽厚比的评价方法,研究并提出了对薄柔构件钢框架破坏模式和延性性质具有决定影响的构件能力参数,以及关于利用这类框架低延性特点进行抗震设计的建议。     

带翼缘剪力墙截面曲率分析及延性的计算

通过对非对称截面带翼缘剪力墙的弯矩-曲率分析,分别计算了翼缘受拉和翼缘受压方向的截面屈服曲率和极限曲率,分析了轴压比、纵筋配筋率、腹板竖向分布钢筋配筋率、翼缘宽度与腹板高度比、混凝土强度、配箍特征值、腹板截面高厚比对截面曲率的影响,并结合受压区高度的变化详细阐述了截面曲率随各影响因素的变化规律。通过对4941个工况下计算结果的回归分析,建立了带翼缘剪力墙截面屈服曲率和极限曲率的简化计算公式,并进一步推导了曲率延性和位移延性的计算公式。通过与试验结果的比对,验证了计算公式的准确性。该文公式不仅将翼缘受拉和翼缘受压状态进行了区分,并择取了影响截面曲率的关键因素,可为带翼缘剪力墙的变形能力计算以及基于位移的抗震设计提供依据。     

开孔形式影响装配式耗能支撑滞回性能研究

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑是由腹板开孔H型钢和传力槽钢通过螺栓连接组成的新型耗能支撑,可有效避免支撑构件失稳。为了研究腹板开孔形状对这种支撑的耗能性能的影响,进行了装配式耗能支撑试件低周往复加载试验,并采用有限元软件进行了模拟计算。试验结果表明:装配式H型钢腹板开孔耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,变形能力好。在轴向荷载作用下,试件主要依靠开孔腹板孔间板件进入塑性变形耗能阶段,腹板开长圆孔的试件与腹板开椭圆孔的试件孔间板件端部为薄弱部位,腹板开菱形孔的试件孔间板件中间部位为薄弱部位,加载过程中这些部位首先进入塑性变形阶段并最先发生断裂。加载过程中螺栓与槽钢始终处于弹性变形状态。有限元分析表明:改变腹板宽度对于腹板开长圆孔的耗能支撑的承载能力与初始刚度影响最大,对于腹板开椭圆孔的耗能支撑影响最小;改变孔间板件宽度对于腹板开菱形孔的耗能支撑影响较小。改变腹板厚度对于三种腹板开孔形式耗能支撑的承载力与初始刚度影响相近。当试件主体过早失稳,可通过增大高宽比、减小腹板厚度或选用翼缘更大的槽钢来避免。耗能板件螺栓连接部位安全可靠,未见变形或破坏,布置螺栓时孔距不应超过4.5d₀。     

板件中间V形加劲复杂卷边槽钢轴压构件的稳定性能研究

分别采用有限条数值解法和手算方法对16根轴压简支试件的弹性局部、畸变屈曲临界应力进行了计算,对比了数值解法与手算方法的计算结果,验证了手算方法求解弹性稳定临界应力的有效性。研究了V形加劲复杂卷边槽钢轴压构件的弹性稳定性能。研究表明:V形加劲肋的存在对轴压试件的弹性局部屈曲临界应力影响显著,但对弹性畸变屈曲临界应力影响较小,减小翼缘板件的宽厚比能明显提高截面的弹性畸变屈曲临界应力。     

混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁纯钢梁段的受压翼缘局部稳定性分析

为解决实际工程中遇到的混凝土翼板完全断开的钢-混凝土组合梁受压翼缘局部稳定性问题,基于薄板理论,对组合梁混凝土翼板开洞处纯钢梁段受压翼缘的临界屈曲应力计算公式进行了推导,考虑了弯矩梯度的影响,并用通用有限元软件ANSYS验证了公式的准确性。根据临界屈曲应力计算公式得出了合理的受压翼缘宽厚比限值,与现行《钢结构设计规范》中的规定进行了对比。对比结果表明:将《钢结构设计规范》中的宽厚比限值直接用于组合梁开洞处的纯钢梁段,显得过于保守。最后通过算例分析,进一步验证了该文的结论。     

基于套管屈曲约束的拉挤型GFRP管轴压性能

为解决复合材料空间桁架结构部分关键压杆失稳引发的连续性倒塌问题,提出了一种由不锈钢套管及螺栓连接系组成的玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)管整体失稳套管屈曲约束装置。为分析该套管屈曲约束装置对拉挤型GFRP管轴压性能的影响,对3个GFRP管试件和4个套管屈曲约束GFRP管试件进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,对比研究了两者的极限承载力和破坏模式,同时利用有限元模型分析了不同内核长细比、内核与套管间隙及套管壁厚对GFRP管轴压性能的影响。结果表明:该套管屈曲约束装置能有效约束GFRP管整体失稳变形,其极限承载力和延性均得到提升,并使GFRP管从失稳破坏向材料强度破坏发展;内核长细比越大,套管屈曲约束GFRP管极限承载力相比于内核失稳临界荷载的相对提升幅值越高,约束效果越好;内核与套管间隙越大,GFRP管延性越好,但其极限承载力会降低;套管壁厚过薄会降低GFRP管极限承载力,过厚则约束效果不明显。