国产Q460高强钢焊接工形柱整体稳定性能研究

为研究国产Q460高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对7个焊接工字形截面钢柱试件进行试验研究。试验实测了构件的几何初始缺陷和截面残余应力,并分析其失稳变形特征和整体稳定承载力。利用试验结果和实测的初始缺陷数据,验证了所建立的有限元数值模型的可靠性和准确性;此外,通过大量参数分析计算了不同截面尺寸和长度的国产Q460高强钢焊接工字形截面轴压杆绕截面强轴和弱轴失稳的整体稳定承载力,并与国内外的钢结构设计规范柱子曲线进行比较。结果表明,该类轴压杆的整体稳定系数要明显高于相应的设计曲线,即相比具有相同正则化长细比的普通强度钢材轴压杆其整体稳定系数要有明显提高;给出了建议的柱子曲线类型,并在数值分析的基础上拟合新的柱子曲线,以为工程应用和规范修订提供参考。     

高强钢焊接箱形轴压构件整体稳定设计方法研究

与普通强度钢材轴压构件相比,高强钢轴压构件的整体稳定承载力受构件初始缺陷,特别是受截面残余应力的影响显著降低,其整体稳定系数明显提高。国内外现行的钢结构设计规范制定的柱子曲线均是基于普通强度钢材构件的研究,现有针对高强钢轴压构件整体稳定性能的少量研究仅针对特定强度等级钢材提出了设计建议或方法。为研究不同等级高强钢轴压构件的整体稳定设计方法,全面总结了国内外现有高强钢焊接箱形截面轴压构件的试验研究,并采用三维有限元模型模拟了试件的整体稳定性能,分析过程考虑了几何初始缺陷、残余应力以及几何和材料非线性的影响。利用验证后的数值模型进行了大量参数分析,算例包括8种钢材强度等级、6种截面尺寸以及长细比不同的构件。结果表明,高强钢焊接箱形轴压构件的整体稳定性能随强度等级提高而提高。根据数值计算结果与我国钢结构规范设计曲线的对比分析,建议强度等级为Q460、Q500、Q550、Q620、Q690、Q800钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按b类曲线进行设计,Q890和Q960的钢材焊接箱形轴压构件(板厚小于40mm)按a类曲线进行设计。此外,还提出了更新的柱子曲线公式。     

460MPa级高强度钢材工字形截面轴心受压柱局部稳定有限元分析和设计方法研究

为研究标准屈服强度为460 MPa的高强度钢材工字形截面轴心受压柱的局部稳定受力性能,采用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,考虑残余应力和局部初始几何缺陷的影响,与已有的460 MPa高强度钢材工字形截面轴心受压柱试验进行对比分析,验证了有限元建模方法的正确性。利用经过验证的有限元模型,针对460 MPa高强度钢材工字形截面轴心受压柱的局部屈曲性能进行有限元参数分析,并将已有试验结果、有限元参数分析结果,与中国、美国和欧洲钢结构设计规范中的设计曲线进行对比,提出新的设计公式。结果表明:钢板厚度、钢板长宽比、局部初始几何缺陷幅值和残余压应力值对构件翼缘极限承载力的影响很小,但对翼缘局部屈曲承载力有较大影响;所提出的建议设计计算公式相对于中国、美国和欧洲钢结构设计规范中的设计计算方法,更加适用于460 MPa工字形截面轴心受压柱极限应力和局部屈曲应力的设计计算。     

960 MPa高强度钢材轴压构件整体稳定性能试验研究

为研究960 MPa高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对6个焊接工字形和等边箱形截面试件进行了静力试验研究,测量了试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面残余应力分布等初始缺陷,分析了试件的失稳破坏形态,得到了整体稳定承载力,并与规范设计曲线进行了对比分析。利用试验结果验证了有限元分析模型,并进行参数分析。研究结果表明：试件的破坏模态均为整体弯曲失稳,除两个几何初始缺陷过大的试件外,其他试件的整体稳定系数试验值均明显高于规范设计值;参数分析结果表明,960 MPa钢材焊接截面轴压构件的整体稳定系数较普通钢材显著提高,建议采用GB 50017-2003中的a类柱子曲线设计此类轴压构件,同时拟合了960 MPa高强度钢材的柱子曲线公式。     

960 MPa高强度钢材轴压构件整体稳定性能试验研究

为研究960 MPa高强度钢材轴压构件的整体稳定性能,对6个焊接工字形和等边箱形截面试件进行了静力试验研究,测量了试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面残余应力分布等初始缺陷,分析了试件的失稳破坏形态,得到了整体稳定承载力,并与规范设计曲线进行了对比分析。利用试验结果验证了有限元分析模型,并进行参数分析。研究结果表明:试件的破坏模态均为整体弯曲失稳,除两个几何初始缺陷过大的试件外,其他试件的整体稳定系数试验值均明显高于规范设计值;参数分析结果表明,960 MPa钢材焊接截面轴压构件的整体稳定系数较普通钢材显著提高,建议采用GB 50017—2003中的a类柱子曲线设计此类轴压构件,同时拟合了960 MPa高强度钢材的柱子曲线公式。     

初始缺陷对矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度的影响

为了研究焊接残余应力和几何初始缺陷对矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度的影响,采用有限元软件ABAQUS进行参数分析,参数包括壁板的屈服强度、宽厚比、几何初始缺陷取值大小、是否施加几何初始缺陷和焊接残余应力,并考虑两者耦合作用,给出考虑焊接残余应力和几何初始缺陷后的矩形钢管混凝土柱壁板有效宽度计算公式,并与试验数据进行比较。结果表明:建立的有限元模型能较好地模拟壁板的局部屈曲和屈曲后行为,焊接残余应力和几何初始缺陷都会降低壁板屈曲后强度,且焊接残余应力的影响较大; 不同强度等级的钢材都需要考虑焊接残余应力和几何初始缺陷的影响,对于屈服强度大于460 MPa的高强钢材,当宽厚比大于65时,可以忽略几何初始缺陷的影响; 给出的有效宽度计算公式可以较为准确且偏保守地预测矩形钢管混凝土柱壁板屈曲后强度。     

Q690钢焊接H形截面轴压柱整体稳定性能研究及设计方法

该文旨在研究Q690高强钢焊接H形轴压柱的整体稳定性能,并给出适合该类型构件的一阶弹性设计建议。为此,对Q690焊接H形试件进行残余应力试验研究和轴压试验研究,基于试验结果,给出残余应力分布模型;并分析该类型试件的失稳形态和整体稳定性能。同时,使用直接分析法建立数值模型,并对其进行验证。该数值模型采用PEP单元(Pointwise-Equilibrating-Polynomial Element)来模拟构件的几何初始缺陷,采用塑性纤维铰方法结合截面屈服面(该屈服面考虑了残余应力效应)来反映关键截面的屈服影响。最终,采用该直接分析法对Q690焊接H形轴压构件进行了参数分析。基于参数分析结果,给出该类型轴压试件的一阶弹性设计建议。     

Q420等边角钢轴压杆稳定性能研究(Ⅰ)——残余应力的试验研究

高强度钢材逐步开始在钢结构实际工程中得到应用,其中包括大型输电铁塔中Q420高强角钢的应用。但目前针对此类钢材轴压杆的稳定性能研究还很少,其中一个很重要的原因在于对构件初始缺陷(主要是残余应力)的研究非常匮乏。本文采用分割法对Q420高强等边角钢的纵向残余应力进行了试验量测,试验对象包括5种截面尺寸共计15个试件。基于试验结果,本文分析了Q420高强等边角钢残余应力的分布特点和数值大小,并与国内外普通强度角钢的残余应力试验结果和规范采用的残余应力分布模型进行了对比,结果表明,残余应力分布形式和绝对数值大小与钢材强度没有直接关系,但截面板件的宽厚比则会影响残余应力的大小。最后,本文提出了适用于Q420高强等边角钢的较为准确和安全的残余应力分布模型和计算公式。这为进一步研究该类钢材截面的轴压构件稳定性能提供了前提条件。     

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能,对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果,分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力,建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态,大部分试件稳定承载力高于规范设计值;有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响,计算结果与试验结果吻合良好;通过与国内外钢结构设计规范的对比,提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法,即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计,而不需要按板件宽厚比大小进行分类。     

高强度等边角钢轴心受压局部稳定的有限元分析和设计方法研究

随着钢结构的发展,高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用逐渐增多,如输电铁塔和大跨度桁架等。然而由于强度的提高,较多数量角钢截面的等效宽厚比超过规范的限值,不满足局部稳定的要求。我国现行规范尚未对这一问题给出明确规定。运用通用有限元软件ANSYS建立有限元模型,准确模拟构件的残余应力和几何初始缺陷,对15个高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能进行有限元分析,并与相应的试验结果进行对比。比较结果表明,建立的有限元模型能够准确模拟几何初始缺陷和残余应力对构件局部稳定受力性能的影响,从而准确地分析计算高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能。利用已验证的有限元模型,对高强度热轧等边角钢轴心受压构件的局部稳定受力性能进行有限元参数分析,并与美国规范和欧洲规范的设计方法进行对比。结果得到:几何初始缺陷和残余应力对于高强度热轧等边角钢轴心受压构件局部稳定承载力的影响比普通钢材受压构件小;美国钢结构设计规范能够更准确的计算Q420等边角钢轴心受压构件的局部稳定承载力。     

不锈钢冷成型管截面轴心受压构件的有限元分析

采用有限元软件ANSYS对不锈钢冷成型管截面轴心受压长柱进行模拟,有限元模型中考虑不锈钢材料的非线性本构关系、冷加工效应、构件的初始缺陷以及构件中的残余应力。将模拟结果与国内外的试验数据进行对比。对比表明:有限元模型能够准确地模拟不锈钢构件的受力全过程,模拟平均误差小于5%;对影响不锈钢轴心受压构件受力性能的因素进行分析,分析表明:方矩管截面的转角区冷加工效应,不锈钢材料力学性能参数变化以及构件的整体缺陷取值对构件的整体稳定性能影响较大,而不锈钢构件的截面对稳定系数影响很小。分析结论可作为建立不锈钢轴心受压构件稳定承载力设计公式的参考。     

460MPa高强钢柱整体屈曲性能:试验研究及设计方法

受压柱的整体屈曲性能是钢结构研究的重要课题之一,尤其是近几年来应用越来越多的高强钢。对460MPa高强受压构件的整体屈曲性能进行试验研究。对包括焊接箱形截面和I形截面的12根钢柱进行试验。测量构件的残余应力、初弯曲和加载偏心率等初始缺陷。结合试验结果研究其屈曲变形和屈曲承载力。建立有限元模型,并与当前及以往研究中考虑初始缺陷的试验数据进行对比。采用经过验证的模型对大量不同截面尺寸和不同长度的柱的屈曲承载力进行估算,并将计算结果与其他钢结构规范的设计值进行对比。结果表明:460MPa高强钢柱,其无量纲屈曲强度与普通强度钢柱相比明显提高,并给出了相应的柱曲线和设计公式。     

Overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel columns: Experimental investigation and design method

Overall buckling behavior of compression columns is one of the most important research subjects in steel structures, especially for high strength steel which has been increasingly applied in recent years. An experimental investigation was carried out to study the overall buckling behavior of 460 MPa high strength steel compression members. Totally twelve columns including welded box and I-sections were comprised. The initial imperfections such as the residual stress, initial bending and loading eccentricity were all measured. Based on experimental results the buckling deformation and capacity were investigated. A finite element model was established and further validated by comparing with the test data in both present study and other previous researches, in which initial imperfections were taken into account. A large number of columns with various section dimensions and lengths were calculated by using the validated model, and their buckling capacities were compared with design values according to different steel structures specifications. It was found that the nondimensional buckling strength of such 460 MPa high strength steel columns were significantly improved compared to normal strength steel columns, and corresponding column curves and design formulae were suggested.     

高强度钢材轴心受压构件的受力性能

介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况,基于高强度钢材焊接截面钢柱轴心受压试验结果,给出了高强度钢材焊接箱形和焊接I形截面的残余应力分布,并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算、讨论和比较,对高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究。研究结果表明,焊接箱形和焊接I形(绕弱轴,翼缘为焰切边)两种截面(板厚<40mm)的高强度钢材(屈服强度690MPa)轴心受压构件的整体稳定系数高于普通钢材钢构件,可以划分为b类截面;而翼缘的局部稳定性能没有明显提高,翼缘宽厚比限值仍可采用我国现行钢结构规范的规定值。     

Q690高强钢焊接箱形轴压构件整体稳定研究及设计建议

为研究Q690高强钢焊接箱形轴心受压构件的整体稳定性能,给出适合该类构件的设计建议,通过对3根Q690焊接箱形截面试件的残余应力试验,得到了箱形截面的残余应力分布模型。设计并制作了5根Q690焊接箱形柱,并对其两端铰支条件下进行了轴压试验研究,试验前分别对试件的几何初始缺陷和初始偏心均进行了测量。轴压试验中,所有试件破坏形式均为整体失稳破坏。基于试验结果,分析了该试件的整体稳定性能,采用直接分析法建立了数值模型,并校验了数值模型的准确性。同时,采用该数值模型对箱形轴压构件进行了参数分析,基于试验和参数分析结果,给出了Q690焊接箱形轴压构件的一阶弹性设计建议。     

超高强度钢材钢结构的工程应用

为了探讨超高强度钢材在我国钢结构工程中应用的可行性,本文详细介绍了超高强度钢材的品种、力学性能和化学成分,分析了超高强度钢材钢结构构件的截面残余应力和几何初始缺陷及其对受压整体稳定特性的影响。结果表明,超高强度钢材轴心受压钢柱可采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数,提高其整体稳定承载力,更加充分地发挥超高强度钢材钢柱的强度优势。本文还介绍了超高强度钢材钢结构的优点及其在国内外多个建筑结构和桥梁工程中的具体应用情况和所取得的良好效果,为超高强度钢材钢结构在我国的工程应用提供了参考。