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<正>《四川建筑科学研究》04/2012高强度等边单角钢轴压构件稳定设计研究回顾与问题探讨高强度单角钢轴压构件的稳定性能因其材料的屈服强度等力学性能改变而发生变化,因而在稳定设计及其相关研究中会遇到许多新的问题。针对这一现状,结合我国GB50017-2003《钢结构设计规范》、美国钢结构设     

Q420等边角钢轴压杆整体稳定性能试验研究

国内大型输电铁塔中已逐步采用Q420高强度角钢。为研究此类高强度等边角钢轴压杆的整体稳定性能,进行了轴压静力试验研究,试验包括60个试件,截面类型选取了在所有热轧角钢截面中板件宽厚比最大的5种。基于试验结果,研究了Q420高强度等边角钢轴心受压柱的失稳破坏形态和极限承载力,通过计算得到其稳定系数,并与现行钢结构设计规范的柱曲线进行了对比,同时分析了板件宽厚比超限对Q420高强度等边角钢轴压柱失稳破坏形态和稳定承载力的影响。结果表明：该类构件以弯扭失稳为主,根据试验实测得到的稳定系数明显高于现行钢结构设计规范所规定的等边角钢所在的b类截面柱曲线,甚至高于a类截面柱曲线。研究为后续的有限元计算和数值参数分析提供了重要的基础数据,为设计方法提供了参考建议。图11表4参17     

等边单角钢轴心压杆局部稳定计算问题的讨论

在钢结构工程中,特别是在输电线路的铁塔设计中,经常采用等边单角钢作为轴心受压构件.在设计计算中,无论是按照我国现行的GB 50017-2003<钢结构设计规范>,还是采用ASCE 10-1997<美国输电铁塔设计导则>,都需要考虑角钢肢宽与厚度之比的问题.针对此问题,根据弹性稳定理论,推导了等边单角钢轴心压杆宽厚比限值的计算公式,并提出设计计算的方法,供工程设计参考.     

输电铁塔单角钢轴压承载力计算公式及试验研究

国内外规范中关于单角钢轴压承载力的计算理论及计算值不尽相同,按照ASCE 10-97计算所得的承载力安全保障不足,而按照国内规范设计则安全裕度较大,偏保守。针对国内外规范计算得到的单角钢轴压承载力差异较大的问题,对比分析了各相关规范关于单角钢轴压承载力的计算理论,开展了3个规格3种长细比的Q345单角钢的轴压承载力试验;探讨了国内外单角钢轴压承载力试验值与规范值的差异。经分析研究可知,当长细比较大时,角钢主要发生绕最小轴的弯曲破坏,此时宽厚比对单角钢轴压承载力的影响不大,对宽厚比有限值的公式可在长细比较大时对其进行修正;按照美国规范ASCE 10-97计算出的角钢承载力规范值与试验结果吻合较好,我国规范《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154—2002)可参考美国规范的计算方法来进行修正。     

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。     

高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法研究

Q420和Q460高强度热轧等边角钢在钢结构中的应用逐渐增多,由于强度提高,部分角钢截面的宽厚比超过规范限值,不满足局部稳定性的要求。GB 50017—2003《钢结构设计规范》对于这一问题并没有给出相应的计算方法和设计规定。结合DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》和美国ANSI/ASCE 10—97《输电铁塔设计导则》的相关规定,研究Q420和Q460高强度热轧等边角钢轴心受压构件稳定承载力的设计计算方法,分析了上述规范中对于高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法的合理性,为相关设计提供了参考。     

输电铁塔设计中角钢构件稳定计算问题的讨论

现行输电铁塔结构设计依据的规程、规定引用的是《钢结构设计规范》(GBJ17-1988)的条文,《钢结构设计规范》(GB50017-2003)增加了关于轴压构件扭转失稳和弯扭失稳方面的规定,本文基于新钢规对输电铁塔设计中双角钢十字形、T形截面以及单角钢轴压构件的整体稳定计算做了试算和探讨,得出对于输电铁塔设计中主材选用双角钢十字截面构件扭转失稳将起控制作用、对于单角钢构件绕平行轴的弯扭失稳起控制作用的结论。通过对220kv和500kv双回路直线塔的工程实例计算,按新钢规规定,塔重将增加6％～10％。因此,在输电铁塔结构设计中,关于角钢整体稳定按新钢规条文的具体应用还需进一步探讨。     

论高强度钢压杆稳定计算中的屈服强度因数

《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）关于压杆稳定计算的规定一般以Q235钢为基础,并通过引入屈服强度因数ξ=（fy/235）^1/2使其适用于高强度钢压杆。但是,这一因数的运用在很多情况下过于简单化,致使高强度钢压杆承载潜力不能充分发挥。本文对轴压构件的板件进行的综合分析表明,中等和大长细比构件的板件宽厚比限值只有一部分需要和因数ξ挂钩。此项分析同时采取了两种准则,并考虑了构件初弯曲的影响。格构式轴压构件剪力分析表明,现行规范的公式（5.1.6）的因数ξ可以删去。此外,单边连接的单角钢压杆简化为轴压构件时,等效长细比只要部分乘以因数ξ即可。     

高强角钢(Q460)单边连接时宽厚比限值试验研究

通过对Q460高强角钢单边连接的试验研究,指出我国GB50017-2003《钢结构设计规范》和ASCE10-1997《美国输电铁塔设计导则》对宽厚比限值公式的不足之处。根据具体试验数据和对Q460高强角钢单边连接时的局部屈曲性能的研究,推导出单边连接单角钢的实用宽厚比限值公式,用于Q460高强角钢单边连接时压杆设计。     

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箱形截面柱的局部稳定受力性能,对4个Q460钢材等边箱形短柱进行轴心受压试验。根据试验结果分析试件的局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,并将试件的局部屈曲应力、极限应力与我国、美国、欧洲钢结构设计规范以及陈绍蕃建议的相应设计方法和计算公式进行对比分析。结果表明,钢板的宽厚比越大,试件截面的利用率越低,局部屈曲后强度越富余;我国钢结构设计规范中对于试件的局部屈曲应力的计算公式不适用于等边箱形短柱;对于等边箱形短柱的极限应力,美国、欧洲钢结构设计规范和陈绍蕃建议的设计方法的计算结果较为接近,且均略高于试验结果,这3种设计方法都是可行的。进一步修改已有的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的局部屈曲应力;建议采用陈绍蕃建议的设计方法,并进一步修改欧洲钢结构设计规范的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的极限应力。     

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。     

冷弯薄壁型钢轴压构件畸变与整体相关屈曲承载力计算方法研究

基于我国《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)和北美规范及澳洲/新西兰规范中的直接强度法,利用国内外已有的试验数据,计算了60根破坏模式为畸变与整体相关屈曲的轴压试件以及50根破坏模式为畸变屈曲的轴压试件的承载力。通过计算值与试验值的对比分析表明：我国《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)中直接强度法所计算的轴压试件畸变与整体相关屈曲的承载力与试验值之比的平均值接近1.0,结果较为理想;计算所得的轴心受压试件畸变屈曲的承载力明显高于试验值,偏于不安全。基于上述结果,对《冷弯型钢结构技术规范》(征求意见稿)中直接强度法计算畸变屈曲的承载力提出了相应建议,即畸变与整体相关屈曲的承载力计算公式和畸变屈曲的承载力计算公式不应统一,应区别对待或给出附加核查条件,在计算畸变半波长度和畸变屈曲的承载力时,采用屈服荷载而非构件整体稳定承载力。     

A numerical imperfection sensitivity study of cold-formed thin-walled tubular steel columns at uniform elevated temperatures

A numerical study is carried out on cold-formed rectangular hollow section columns to evaluate the sensitivity of column failure strength to initial imperfections, stress–strain relationships and to assess the existing design methods. It is shown that the magnitude of initial local buckling imperfection has a significant effect on the ultimate strength of short columns where failure is predominantly local buckling. Its effect on long columns is relatively small. Similarly the magnitude of initial global imperfection has more influence on the ultimate strength of a long column, whose failure is governed by global buckling, than on short columns, where local buckling controls. The shape of the stress–strain relationship of cold-formed steel will have noticeable effect on the column failure load. Current design methods, for high temperatures in ENV1993-1-2 and for ambient temperature in ENV1993-1-3, can provide a valid basis of calculation but modification will be necessary, depending on the exact model of stress–strain relationship of cold-formed steel at elevated temperatures.     

Strength of slender concrete filled high strength steel box columns

The use of thin walled steel sections coupled with concrete infill has been used on various building projects with great advantage. The currently available international standards for composite structures are limited to the design of concrete filled steel columns with compact sections. However, there is limited research work in the literature available which is concerned with slender concrete filled thin-walled steel columns. This paper presents a comprehensive experimental study of thin walled steel sections utilising high strength steel of a thin walled nature and filled with normal strength concrete. A numerical model is developed herein in order to study the behaviour of slender concrete filled high strength steel columns incorporating material and geometric non-linearities. For this analysis, the equilibrium of the member is investigated in the deformed state, using the idealised stress–strain relationships for both the steel and concrete materials, considering the elastic and plastic ranges. This paper presents both an experimental and theoretical treatment of coupled local and global buckling of concrete filled high strength steel columns sometimes termed interaction buckling. The experimental results of columns with high strength steel casings conducted herein by the authors are used for comparison. The effect of the confined concrete core is also addressed and the method shows good agreement with the experimental results of concrete filled steel columns with compact sections. The behaviour of concrete filled steel slender columns affected by elastic or inelastic local buckling is also investigated and compared with relevant experimental results. The paper then concludes with a design recommendation for the strength evaluation of slender composite columns using high strength steel plates with thin-walled steel sections, paying particular attention to existing codes of practice so as not to deviate from current design methodologies.     

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。     

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。