高强度钢材工字形截面轴心受压短柱局部稳定试验研究

针对高强度钢材焊接工字形截面轴心受压短柱的局部稳定性能,对9个Q460C工字形截面短柱进行轴心受压试验,分析试件局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,研究翼缘、腹板嵌固系数的取值。此外,将屈曲应力、极限应力试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行对比分析,研究相应规范对于高强度钢材的适用性。结果表明：翼缘的嵌固系数可取为定值1.0,腹板的嵌固系数不宜取为定值;GB 50017-2003《钢结构设计规范》中关于高强度钢材工字形截面短柱的局部屈曲应力的计算结果是不合理的;AISC 360-05规范的极限应力计算值误差较大,但偏于保守;Eurocode 3规范的极限应力计算值与试验值较为接近,但大部分计算结果较试验值偏大。为此,建议提出新的公式计算工字形截面短柱的局部屈曲应力,而对Eurocode 3规范关于工字形截面短柱的极限应力计算公式进行修正,使其能适用于Q460C高强度钢材。     

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高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明:当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。     

Q460高强钢焊接箱形压弯构件极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接箱形压弯构件的整体失稳极限承载力,采用11mm厚国产Q460高强钢中厚板制作7个焊接箱形压弯试件,试件截面宽厚比分别为18、12、8,长细比分别为35、55、80。试验内容包括:Q460低合金高强钢的材性试验,三种焊接截面残余应力测试,各试件初始几何缺陷测量及极限承载力试验,从而进行了面内整体失稳压弯构件的极限承载力试验研究;并且把试验结果与我国现行钢结构设计规范计算值相比较。试验研究结果表明:Q460低合金高强钢材性具有高强度,塑性性能良好等特点;Q460高强钢焊接箱形截面残余应力分布形式与普通钢材箱形焊接截面分布基本相同,但是残余应力比降低;压弯构件极限承载力试验结果明显高于现行钢结构规范设计公式计算值,所以应对Q460高强钢焊接箱形压弯构件进行近一步参数分析研究,并得出其实用设计方法。     

960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明：当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。     

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

为研究Q460高强度钢材箱形柱的抗震性能,对5个足尺试件进行了水平往复加载试验研究,分析了板件宽厚比、轴压比等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力和延性的影响。试验结果表明,Q460高强度钢材箱形柱具有很好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震钢框架;除试件HB-1外其他试件本身及其柱脚节点均未发生焊缝开裂,证明设计合理、质量合格的Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和良好的抗震性能;板件宽厚比越大,试件局部屈曲出现得越早,最大荷载对应的位移级越小,达到破坏时的位移级也越小;试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小,所有试件最大屈曲位置距固定端0.25B~0.50B（B为等边箱型截面外边长）,塑性区范围距离固定端0.72B~1.06B。根据试验结果,建议在轴压比不大于0.2时,Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30;同时,钢框架柱在进行抗震设计时,其板件宽厚比限值应与轴压比相联系,轴压比越大,板件宽厚比限值应越小。     

Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱低周反复加载试验研究

为充分了解高强度结构钢构件的抗震性能,采用Q460C高强度结构钢焊接制作H形和箱形截面柱试件各4个,进行固定轴压比为0.3的低周反复加载试验。试验测得了Q460C高强度结构钢H形和箱形截面柱的荷载 位移滞回曲线和弯矩 曲率滞回曲线。试验结果表明：宽厚比接近GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中“一级抗震”限值的试件试验破坏模式为板件局部屈曲,而宽厚比远小于“一级抗震”限值的试件在柱底部可形成具有充分转动能力的塑性铰;宽厚比小于“二级抗震”限值的Q460C焊接 H形截面柱和小于“一级抗震”的Q460C焊接箱形截面柱具有良好的耗能能力和抗震性能。在试验基础上提出了Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱的弯矩 曲率滞回模型,为高强钢结构在地震作用下的弹塑性静力分析和时程分析提供参考。     

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。     

轴压下460 MPa级高强度钢材焊接截面短柱的局部屈曲

由于钢屈服强度的提高,与普通强度钢(NSS)制成的型钢相比,高强度钢焊接而成的型钢更薄、更轻。这导致了钢板构件的宽厚比更大,且局部屈曲对受压构件的影响也更大。对由4个箱形截面构件和9个工型截面构件组成的钢短柱(钢材为Q460)进行轴压试验,建立对初始缺陷进行精确模拟的有限元模型。建模结果通过了试验和理论分析的验证。将试验和数值结果与通过不同规范中的设计方法得出的极限应力相比较,结果显示,对于箱形截面钢板构件,这些设计方法高估了其局部屈曲的极限应力,导致结果不够安全。而设计方法又低估了工字型截面部件翼缘的极限应力,特别是那些宽厚比相对大的工字型截面部件。     

高强度钢材受弯构件局部稳定设计方法对比

目前,高强度钢材已在建筑结构中得到了推广应用,国内外关于高强度钢材钢结构的研究工作也已逐步开展起来。欧洲和美国的钢结构设计标准已涉及到部分高强度钢材的设计内容,而GB 50017—2003《钢结构设计规范》尚未包含,修订中的新版《钢结构设计规范》计划纳入Q460高强度钢材。通过对比各国设计标准中关于工字形截面受弯构件局部稳定的规定,发现美国标准ANSI/AISC 360-10、欧洲标准BS EN1993-1、日本标准AIJ LSD2010和中国规范GB 50017—2003在设计范围和原则、板件宽厚比限值、腹板屈曲后承载力以及腹板最大高厚比等方面存在着一定差异。最后利用通用有限元软件ANSYS建立四点加载下的工字形截面受弯构件模型,计算不同钢材构件的腹板屈曲后极限承载力,并与各国标准推荐式的计算值进行对比,发现其均不适用于高强度钢材受弯构件局部稳定的计算。     

轴心受压焊接H形钢短柱高温下局部稳定性能试验研究

为了研究Q235和Q460轴心受压焊接H形钢短柱高温下的局部稳定性能,采用恒温加载方式分别对6个Q235和6个Q460轴心受压焊接H形钢短柱试件进行常温和高温下的局部稳定性能试验,得到了常温和450、650℃下试件的翼缘和腹板局部稳定破坏形态,根据极限应变法和曲线拐点法确定试件在常温和高温下的临界荷载。采用我国现行《钢结构设计规范》和已有文献中关于局部稳定的计算方法计算试件的局部稳定临界应力,并和试验结果进行对比。研究表明：试件在高温下和常温下的破坏形态基本相同;与常温下局部屈曲承载力相比,高温下Q460高强钢试件的局部屈曲承载力较Q235普通钢试件下降幅度大;采用规范公式计算高温下焊接H形钢短柱翼缘和腹板的局部稳定临界应力与试验结果差别较大。     

Experimental study on local buckling of axially compressed steel stub columns at elevated temperatures

There are few design provisions in codes and standards on local buckling of steel columns under fire conditions. To examine the local stability of steel stub columns at elevated temperatures, 12 stub columns were tested under simultaneous application of load and fire conditions. The test variables included Grade (type) of steel, buckling resistance, temperature and load levels. During fire tests, cross sectional temperatures, axial displacement, buckling deflection, and local buckling failure modes of flange and web of stub columns were recorded at various temperatures. Data from the tests is utilized to evaluate buckling resistance of flange and web both at room and elevated temperatures by applying the ultimate strain method and curve inflexion point method. Results from fire tests are utilized to validate a finite element model developed for tracing local buckling of steel columns at elevated temperatures. Results from fire tests and finite element analysis show that failure mode of columns at room and elevated temperatures follow similar pattern but the load bearing capacity of Q460 steel columns degrade much more rapidly under fire conditions than that of Q235 steel columns. Further, Eurocode 3 provisions for local buckling produce non-conservative results in certain situations.     

Experimental study on local buckling of fire-resisting steel columns under fire load

The structural behavior of stub columns using fire-resistant steel has been investigated experimentally under uniform fire load. The newly-developed fire-resistant steel is proven to have higher strength at elevated temperature than that of conventional steel. Also, the requirement of fire-protection in the fire-resisting steel can be released or relaxed as compared with conventional steel structures. However, the design criteria for the application of the fire-resisting steel in steel columns are still limited. To examine the structural behavior of this type of steel columns under fire load, a total of 24 stub column specimens, including both box columns and H columns, reached their limit states due to axial load under fire condition. The main purpose of these studies is to evaluate the variations of the ultimate strength of steel columns due to different width-to-thickness ratios under specified elevated temperature; in addition, to investigate the reduction effects on column strength resulting in the increasing temperature; and finally, to establish the design guidelines of steel columns using fire-resisting steel. From the experimental results, it is found that the ultimate loads of the stub columns decrease while the width-to-thickness ratios or the temperature increases. However, with the increase of temperature, the effect of the width-to-thickness ratio on ultimate strength decreases. It is also found that the effect of the width-to-thickness ratio on the ultimate strength of box column at elevated temperature is more significant than that of H column. Based on these studies, design guidelines are proposed for the requirement of the width-to-thickness ratios of both box column and H column fabricated from fire-resisting steel.     

带肋薄壁方钢管混凝土轴压短柱设计探讨

薄壁方钢管混凝土能取得较好的经济效果,适宜在结构中用作柱构件。但薄壁钢管在荷载较大时易发生局部屈曲,且降低对混凝土的约束。研究表明,在钢管纵向设置加劲肋可有效延缓管壁局部屈曲,改善构件工作性能。针对该新型方钢管混凝土轴压短柱,探讨子板件最大宽厚比及加劲肋的最小刚度确定方法。最后利用国内外常用的钢管混凝土设计规范对已有充分加劲的试验构件进行承载力计算,通过分析比较确定这些规范计算公式的适用性,供工程实践参考。     

纵向变厚度钢板焊接工字形截面受压短柱的局部稳定试验研究

纵向变厚度(LP)钢板是一种沿轧制方向具有不同厚度钢板的钢材,可用于优化结构的力学性能和提高材料利用率。为研究其局部稳定性能,设计了6根LP翼缘焊接工字形截面短柱,6根LP腹板焊接工字形截面短柱和4根传统等厚度焊接工字形截面短柱,并进行了轴向受压试验。试验研究中确定板临界屈曲荷载的两个主要屈曲准则,同时分析了破坏模式、荷载-侧向变形曲线、荷载-应变曲线和极限荷载,研究LP短柱的局部屈曲行为,得到试件更容易在LP钢板的薄端发生屈曲破坏。将试验结果与现有等厚度板设计规范计算结果进行比较可得,现有等厚度板的设计规范预测腹板变厚度短柱的极限荷载偏于危险,而对于翼缘变厚度短柱欧规EN 1993-1-5能较为准确预测,但需要进一步的数值模拟去验证,从而进一步提出修正公式或者修正系数来指导设计。