复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩研究

基于由完备的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲总势能方程推导的平衡微分方程,采用Galerkin法推导了考虑横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式,建立了等效弯矩系数的计算理论。依据等效弯矩系数的计算理论确定了7种常见工况的等效弯矩系数理论计算式并给出了6种特殊工况的Cb实用计算式,从Cb计算式的计算精度、适用范围和形式三个方面对国内外文献的Cb计算式进行对比,验证了等效弯矩系数理论的正确性并提出了Cb计算式的选用准则,最后通过2个数值算例验证了复合荷载作用下钢梁临界弯矩Mcr计算式的正确性和Cb计算式选用准则的合理性。结果表明：考虑了横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式形式简单、物理意义明确且便于计算;Cb实用计算式的适用范围广且精度高;等效弯矩系数的选用准则合理、有效。     

复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲的临界弯矩： (Ⅰ)理论研究

边界约束条件是影响钢梁弯扭屈曲临界弯矩的重要因素之一,但当前复合荷载作用下钢梁临界弯矩的研究仅为平面内、外均简支的情况。本文基于完备的总势能方程,采用Euler微分方程推导了完备的钢构件弯扭屈曲平衡微分方程组,进而简化得到钢梁弯扭屈曲侧移与扭转角独立及耦合时的平衡微分方程。分别采用Galerkin法、Rayleigh-Ritz法求解平衡微分方程(组)、总势能方程,得到了复合荷载作用下钢梁临界弯矩Mcr的计算式、双重求和形式的复合弯矩系数计算式以及单一荷载作用下的Mcr三系数(C1,i、C2,i、C3,i)通式,揭示了单一荷载两两共同作用时相关系数C1,ij的互等性和统一性特征,得到了平面外不同边界约束条件下比值C2,i/C1,i和C3,i/C1,i的关系,对影响Mcr三系数数值的因素进行了分析。研究表明：钢梁临界弯矩Mcr的计算式、复合弯矩系数Cb计算式以及Mcr的三系数通式适用于平面外4种不同边界约束条件的简支钢梁和固支钢梁;三系数形式的临界弯矩Mcr的计算式是基于扭转角试函数的基函数取1项得到的,系数C1,i的精度仅受侧移与扭转角是否耦合的影响,比值C2,i/C1,i和C3,i/C1,i不受侧移与扭转角是否耦合的影响,与采用Galerkin法还是Rayleigh-Ritz法无关。     

基于轴压构件稳定系数的简支钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法

为了解决现行设计标准中钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法在适用范围和计算精度上存在的问题,提出了基于理想轴压构件整体屈曲临界荷载的理想钢梁弹性弯扭屈曲临界弯矩计算式,并进一步提出了基于轴压构件稳定系数的简支钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法。采用124个热轧H型钢梁试件、80个焊接梁试件、2个薄腹梁试件共计206个钢梁试件弯扭屈曲极限弯矩的试验结果,检验了方法的适用范围及计算精度,并与GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的方法进行了对比。研究表明：对于206个钢梁试件,基于轴压构件稳定系数的计算方法较GB 50017—2017方法的适用范围更广,且与已有文献的计算精度相当;对于7个单轴对称工字形截面焊接高强钢梁试件,基于轴压构件稳定系数的计算方法略偏安全且精度高,而GB 50017—2017中的方法偏不安全;对于44个荷载工况不包含在GB 50017—2017中的钢梁试件,建议方法所得极限弯矩计算值与实测值之比的均值、标准差分别为0.908、0.125,精度较高且偏于安全。     

复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲的临界弯矩:(Ⅱ)系数计算及数值算例

基于平面外4种边界约束条件简支钢梁在满跨均布荷载、跨中对称集中荷载和端弯矩作用下,以及平面外4种边界约束条件固支钢梁在满跨均布荷载、跨中对称集中荷载作用下的M_cr三系数(C_1,i、C_2,i、C_3,i)计算式,计算了典型单一荷载工况的M_cr三系数数值,给出了横向荷载与端弯矩共同作用简支钢梁以及横向荷载两两共同作用固支钢梁的复合弯矩系数C_b计算式,通过数值算例验证了本文M_cr三系数和复合弯矩系数计算式的精度。最后对比了本文的M_cr三系数数值与EN 1999-1-1:2007和ENV 1993-1-1:1992中单一荷载的M_cr三系数数值,校验了"4M"等效弯矩系数计算式对简支钢梁、固支钢梁的适用性。结果表明:对于除平面外边界约束条件为R-R(平面外两端简支且约束转动)外的单轴或双轴对称截面简支钢梁以及双轴对称截面固支钢梁,单一荷载的M_cr三系数的数值或计算式以及复合弯矩系数...     

受弯钢梁在偏心荷载作用下的临界弯矩

从薄壁杆件的一般理论出发,推导出荷载偏离弯心但与主轴平行的受弯钢梁的临界弯矩公式。为了验证该公式的正确性,采用ANSYS有限元程序的三维板壳单元SHELL63模拟6根不同截面尺寸和偏心距的槽形钢梁,计算了它们的临界弯矩,并把数值计算结果与理论公式结果进行对比,两者符合较好。     

复合荷载作用下简支钢梁弹性弯扭屈曲研究

为建立复合荷载作用下简支钢梁弹性弯扭屈曲的设计理论,提出不同类型、不同作用点的横向荷载和不等端弯矩共同作用下的弯扭屈曲总势能方程。采用Rayleigh-Ritz法推导复合荷载作用下临界弯矩M_cr的通用计算式及系数（参数）C₁′、C₂′a、C₃′的计算式,并得到复合荷载作用的C₁′、C₂′a、C₃′与单一荷载作用的系数C₁、C₂、C₃的关系。采用Rayleigh-Ritz法推导临界荷载的通用计算式,并通过数值算例验证其正确性,最后分析钢梁自重对弯扭屈曲临界荷载的影响。研究表明：复合荷载作用下的临界弯矩Mcr通用计算式可完全采用单一荷载作用下的M_cr通用计算式表示;钢梁自重对其弯扭屈曲临界荷载的影响较小,计算中可忽略不计。     

简支楔形工字钢梁的弹性弯扭屈曲

用有限元法计算了双轴和单轴对称楔形工字钢简支梁在不等端弯矩作用下的弹性弯扭失稳临界荷载,与CECS102:2002中公式的计算结果进行了对比,发现后者偏大15%~45%。提出了新的变截面梁临界弯矩计算式,其表达形式与等截面梁的公式相同,便于工程应用。     

弯矩波形扰动对纯弯梁弯扭屈曲的影响

推导了弯矩波形扰动作用下纯弯梁含转角θ的整体稳定微分方程,用数值方法逼近该方程的解,并取一个实际截面作为算例,得出了弯矩波形扰动对纯弯梁弯扭屈曲的影响,结果表明弯矩波形扰动降低了纯弯梁的弯扭屈曲稳定系数。     

改进的压弯构件弯扭屈曲相关公式

导出了薄壁压弯构件弯扭屈曲问题计算的理论相关公式。在此基础上,提出了实用相关公式并证明了它的实用性。该式克服了现行压弯构件弯扭屈曲相关公式的不安全性以及有时过分保守性的缺陷。     

双轴对称楔形工字钢梁的弹性弯扭屈曲

本文利用基于板壳屈曲理论的有限元方法对楔形薄壁构件的弯扭屈曲进行了分析,对两种基于薄壁杆件理论的楔形工字钢梁弯扭屈曲分析方法进行了对比。基于较精确的楔形薄壁构件屈曲理论,对承受线性变化端弯矩作用的楔形梁的弯扭屈曲进行了大量分析,并提出了新的楔形工字钢梁临界弯矩计算公式。该公式形式与等截面梁的相同,便于工程应用。     

铝合金梁弯扭稳定系数的试验研究及数值分析

本文依托国家标准《铝合金结构设计规范》编制研究项目,采用数值分析与试验相结合的手段研究了铝合金梁弯扭稳定系数的计算问题。首先根据铝合金材料的Ramberg-Osgood本构关系,近似地将梁屈曲时截面边缘纤维的切线模量应用于全截面,由此得出无缺陷铝合金梁弯扭稳定系数的计算式;接着采用有限元数值模拟技术,应用壳板单元结合材料的随动强化模型,并同时考虑构件的初始缺陷,对强硬化和弱硬化合金分别拟合出Perry-Robertson形式的铝合金梁弹塑性弯扭屈曲稳定系数计算公式;最后,针对梁弯扭屈曲时侧向扭转的特点,合理设计了一套试验装置,并进行了铝合金拉伸力学性能的测定和10根跨中受集中力作用的简支工字梁弯扭屈曲承载力的测定,通过与试验结果的比较,验证了拟合公式的正确性。     

复杂荷载作用下单向受弯简支钢梁的弹性临界弯矩

为了研究单向受弯简支钢梁的弹性弯扭屈曲理论,尤其是复杂荷载作用下的临界弯矩计算,针对端弯矩和任意集中荷载共同作用下的简支梁,首先给出了能够模拟复杂变形并满足边界条件的侧向弯曲变形函数和扭转变形函数,以及任意荷载下的构件弯矩表达式,然后采用Rayleigh-Ritz法推导出了简支梁临界弯矩及其参数的通用计算公式,临界弯矩计算公式与传统公式在形式上完全相同,便于应用。算例分析表明：该通用公式不仅适用于端弯矩、任意集中荷载、满跨均布荷载单独作用下的简支梁,也适用于端弯矩和任意集中荷载共同作用下的简支梁,具有广泛的适用性,且精度较高。     

连续开孔实腹梁整体稳定性计算方法

为研究腹板开孔H型钢梁在纯弯荷载作用下的整体稳定性,采用翼缘和腹板刚度分离的方法,从理论上推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的抗侧刚度、自由扭转刚度和翘曲刚度计算方法,得到其弯扭屈曲临界弯矩表达式。利用有限元软件ABAQUS对相同截面不同跨度的H型钢实腹梁在纯弯荷载作用下的弯扭屈曲临界弯矩进行分析,并将有限元模拟结果和规范计算结果进行对比。采用经验证的有限元模型对带有连续正方形孔洞的H型钢梁进行分析,并将有限元模拟结果与推导公式的计算结果进行对比。以现有规范为基础,推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的弯扭屈曲临界弯矩实用计算公式。结果表明:连续开孔梁实用计算公式具有较高的精确度。     

Equivalent uniform moment factors for lateral-torsional buckling of steel members

Steelwork design standards consider lateral-torsional buckling as one of the ultimate limit states that must be checked for steel members in bending. The buckling resistance assessment is usually based on buckling curves and requires the computation of the elastic critical moment, which is strongly dependent on both the bending moment distribution and restrictions at end supports. This paper focuses on the equivalent uniform moment factor (EUMF) which is used to compute the elastic critical moment. A review of EUMF values given by modern steelwork standards and their comparison with recent results presented in the literature shows that whilst codes may lead to very conservative values for simply supported beams, non-conservative values are obtained in the case of support types designed to restrict lateral bending and warping. In order to clarify situations where EUMF values proposed by modern codes appear contradictory with recent computational results, the paper presents a significant set of EUMF values obtained using both finite difference and finite element techniques. Particular attention has been given to instances where lateral bending and warping are prevented at beam supports since very few results from these cases have been published. A major advantage of codes, such as the American AISC LRFD and the British BS 5950-1, is that they provide closed-form expressions to compute the EUMF for any moment distribution. Unfortunately, these closed-form expressions do not take into account changes in the EUMF due to end support restrictions. This paper presents a general closed-form expression that not only delivers similar advantages but also improves the results given by those codes for some loading cases.     

钢——混凝土组合梁的侧向扭转屈曲

通过对工字型钢-混凝土组合梁劁向失稳形式的理论分析,提出工字型组合梁稳定性分析的计算模型,并根据计算模型推导了组合梁负弯矩区受压下翼缘劁向屈曲的临界弯矩,然后通过与现行工字型组合梁的稳定理论和计算方法比较,确定了工字型组合梁负弯矩区稳定设计的修正方法和建议意见。     

Q235钢芯材屈曲约束支撑的超强特性研究

以国内外近年来的各类型屈曲约束支撑（BRB）的试验数据为基础，提出了与BRB承载力超强相关的应变硬化系数和拉压不平衡系数上限值的计算公式。设计并完成了7组Q235钢芯材BRB轴心受力试验，分析了超强系数与峰值应变和累积塑性应变之间的关系，研究了加载速率对超强系数的影响。结果表明：虽然离散性较大，但Q235钢芯材BRB的应变硬化系数和拉压不平衡系数均表现出随峰值应变的增大而增大的趋势。在设计中可采用建议的超强系数包络值以更加合理地考虑BRB的超强特性。BRB是位移相关型消能器，但试验中BRB试件在应变速率约为01/s的动力加载作用下的拉压不平衡系数明显大于相同峰值应变下静力加载试验结果，说明加载速率对BRB受压性能影响明显，对该现象有待深入研究。     

高强冷弯型钢受弯构件截面局部屈曲临界应力

介绍了求解截面的局部屈曲临界应力的意义,探讨了求解截面的局部屈曲临界应力cσrl的方法,并对实验值与理论值进行了比较,最后提出了有待进一步研究的问题,从而为直接强度法的顺利使用提供了理论基础。     

高大模板扣件式钢管支撑系统整体受力性能研究

采用有限元软件ABAQUS对高大模板扣件式钢管支撑系统的整体受力性能进行分析,利用弹簧单元模拟扣件的半刚性连接,通过屈曲分析得到的屈曲模态施加初始缺陷,并将有限元计算结果与3个工程项目的实测结果进行对比,验证有限元模型的准确性。在此基础上,利用有限元软件对高大模板扣件式钢管支撑系统的稳定承载力进行参数分析,分析的参数包括扣件拧紧扭力矩、支撑高度、横杆步距、立杆纵距、立杆横距、初始缺陷等,得到了各因素对其整体稳定承载力的影响规律。参数分析结果表明：横杆步距、立杆横距、初始缺陷对高大模板支撑系统稳定承载力影响显著,随着横杆步距、立杆横距、模态比例因子的增加,稳定承载力迅速减少。通过调整立杆的计算长度系数,将高大模板扣件式钢管支撑的整体稳定承载力计算等效为一根立杆的稳定承载力计算,并提出计算长度修正系数的简化设计公式,为工程人员的运用提供参考。