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。     

不同等级高强钢焊接工形轴压柱整体稳定性能及设计方法研究

为研究460MPa以上不同强度等级高强钢焊接工字形截面轴压柱的整体稳定性能,采用有限元分析方法,计算了国内外已公开发表(包括其他学者)的35个高强钢焊接工形试件的整体稳定承载力,并通过与试验结果对比验证了有限元模型的可靠性;利用该模型完成1280个算例的整体稳定承载力计算,包括8种钢材强度等级、8种工字形截面尺寸、对应于每种截面的10种长细比、以及绕截面强轴和弱轴失稳的2种模态,并将算例结果与现行钢结构设计规范的设计曲线进行对比分析。研究结果表明,随着钢材强度等级的提高,高强钢焊接工字形截面轴压构件绕强轴和弱轴失稳的整体稳定系数均明显提高;对于绕强轴失稳构件,建议Q460~Q550钢材的采用我国规范b类曲线,Q620~Q960钢材的采用a类曲线;对于绕弱轴失稳构件,建议Q460~Q800钢材的按b类曲线设计,Q890和Q960钢材的按a类曲线设计。此外,还提出此类构件对应不同强度等级钢材的更新柱子曲线公式,以更准确计算其整体稳定承载力。     

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。     

奥氏体型不锈钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能试验研究

为了研究奥氏体型不锈钢材轴心受压构件的整体稳定性能,对6根奥氏体型不锈钢焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究,在试验前对试件的几何初弯曲进行了测量,在试验过程中对荷载初偏心进行了量测。基于试验结果,分析了该类型构件的失稳破坏形态和整体稳定承载力,并与欧洲钢结构规范和中国钢结构规范进行了对比。结果表明此次试验数据高于欧洲钢结构规范和中国钢结构规范的设计曲线,设计曲线较为保守。     

焊接工字形钢轴压构件截面设计的直接算法

通过对工字形截面参数h/b,b/t,tw/t的合理选择 ,导出截面特性的简化表达式 ,从而将轴心受压构件稳定性的计算公式转换为长细比λx(或λy)的方程式 ,利用解出的λx(λy)直接计算出经济合理的截面尺寸。该方法克服了试算法的缺点 ,避免了反复验算。     

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。     

焊接H形轴压构件截面设计的无量纲系数法

<正> 轴压构件是钢结构中最基本的构件,当荷载或长度较大时采用型钢往往不能满足要求,必须采用焊接截面。国内外的工程实践证明,焊接H形(翼宽与截面高相当或更大,也被称作宽翼缘工字形)截面用于轴压构件能获得较好的经济效益,因而被大量采用。设计不仅要满足强度、刚度、整体稳定要求,还需满足局部稳定要求。目前常用的试算法不仅重复工作量大,而且难以得到较经济的截面,影响设计速度和质量。已有的文献[3～5]均是讨论按旧规范容许应力法设计,不能满足我国新颁布施行的以概率极限状态设计法为基础的《钢结构设计规范》(GBJ17-88)(以下简称新规范)的要求。本文给出     

缀板式格构轴压构件整体稳定性计算及精度分析

通过基于二阶理论的梁杆系统非线性精确有限元方法，对缀板式轴心受压格构件进行整体稳定性分析，并与现行结构设计规范的计算方法进行精度分析比较，提出相应的改进算式。     

大截面铝合金轴压构件整体稳定试验研究

随着大跨度铝合金结构的兴起,大截面铝合金构件的应用越来越广泛。为研究大截面铝合金轴心受压构件整体稳定性能,针对4个工字形6061-T6铝合金轴心受压构件和3个箱形6061-T6铝合金轴心受压构件进行了试验研究。试验中,以长细比为变量研究了构件的稳定承载力、破坏形态和荷载-位移曲线。并将试验结果与中国规范、欧洲规范和美国规范进行了对比。所有构件均发生典型的整体失稳破坏形态,中国规范与欧洲规范均对构件的承载力有明显低估,而美国规范较为准确地预测了试验结果。试验结果可为GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》的修订提供建议。     

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。     

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。     

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。     

高强钢焊接箱形截面压弯构件局部稳定试验研究

为研究高强钢压弯构件的局部稳定性能,对5个Q460C和5个Q690D钢焊接箱形截面构件进行了单向偏压试验,分析了其破坏形式、局部稳定性能以及承载力;将实测承载力与欧洲规范EN 1993-1、我国标准GB 50017—2017和美国规范ANSI/AISC 360-16相关公式计算结果相比较,以验证各规范对Q460C钢和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算的适用性。研究结果表明：所有高强钢焊接箱形截面压弯构件均在柱中附近发生局部屈曲破坏;由轴向压力-轴向压缩变形或轴向压力-水平位移曲线可知,其为极值点失稳;构件的轴向压力-水平位移或轴向压力-应变曲线的形状和局部屈曲模式有关;在翼缘宽厚比为28.1～56.3、腹板高厚比为40.2～80.4、偏心距为20～50 mm范围之内,EN 1993-1和GB 50017—2017中的屈曲后强度计算公式仍然适用于Q460C和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件,而ANSI/AISC 360-16中的相关公式需要进一步修正。     

端部带约束的超高强度钢材受压构件整体稳定受力性能

高强度钢材(屈服强度≥460MPa)已经在国内外多个钢结构实际工程中得到应用,但关于其受压构件整体稳定性的研究还很少,特别是屈服强度超过690MPa的超高强度钢材。针对两种超高强度钢材S690和S960(名义屈服强度分别为690MPa和960MPa),进行了端部带约束的受压构件整体稳定受力性能的试验研究,试验共包括8个试件。基于试验结果,分析该类钢材构件的失稳破坏形态和屈曲承载力,利用经过验证的有限元模型计算其整体稳定系数,并与欧洲规范和我国规范的柱子曲线进行对比分析。结果表明,超高强度钢材受压构件整体稳定系数的试验值要明显高于其所在的b类柱子曲线,甚至比欧洲规范的a0类柱子曲线和我国规范的a类柱子曲线还要高出很多。这说明超高强度钢材受压柱的屈曲强度较普通强度钢材的屈曲强度有明显提高。这些试验研究和有限元分析成果为完善我国超高强度钢材的稳定设计方法和设计理论提供了重要的试验依据和前提条件,并有利于超高强度钢材在我国钢结构工程中得到更广泛的应用和发展。     

钢管高性能混凝土恒高温后力学性能研究

在确定高温后钢材和混凝土应力-应变关系的基础上,建立了恒高温后钢管高性能混凝土轴压构件的理论分析模型,对恒高温后该类构件的荷载-变形关系由线进行了计算,并与以往试验结果进行了比较,二者符合较好。分析结果表明,恒高温后钢管高性能混凝土轴压构件的荷载-变形关系弹性段变短,弹塑性段变长,极限承载力降低,极限承载力对应的应变增大,曲线下降段趋于不明显,这一特性与钢管普通混凝土构件高温后性能较为相似。     

十字形截面钢-混凝土组合异形柱的抗震性能

为研究十字形截面钢-混凝土组合异形柱的抗震性能,对5个不同轴压比、配钢形式的试件进行低周反复加载试验。研究了滞回曲线、骨架曲线、延性性能、刚度退化、耗能性能等抗震性能,对比分析了轴压比和配钢形式对抗震性能的影响。结果表明,轴压比较大的试件具有更高的承载能力,但延性降低、刚度退化速率加快;与普通钢筋混凝土异形柱相比,在异形柱内配置型钢可改善滞回性能、增强刚度、延性性能、承载能力和耗能性能,减轻破坏程度,从而提高抗震性能。配钢形式为T形钢加方钢管的试件除刚度退化外,其他性能均优于实腹型配钢试件。     

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。