焊接箱形截面稳定承载力的直接强度设计法

现行GB 50017—2003《钢结构设计规范》对焊接箱形截面构件在考虑壁板局部失稳后的稳定极限承载力的设计规定还相当粗糙,按腹板高度边缘范围内两侧宽度各为20tw计算有效面积,未能与构件整体稳定性建立有效的联系。采用板壳单元,精确地模拟了箱形截面构件的壁板局部失稳及其相互作用,在大挠度、弹塑性范围内对箱形截面的稳定极限承载性能进行了研究。在大量数值分析的基础上,分别归纳总结了箱形截面构件在承受轴向压力、纯弯曲以及弯矩与轴力共同作用下的稳定极限承载力简化计算公式,对箱形截面构件稳定承载力计算及设计有参考价值。这种把构件稳定承载力设计与构件几何尺寸建立直接关系的直接强度设计法,会改进采用有效宽度法产生的误差,可以为薄壁结构相关技术规程修订时参考。     

有限扭转对箱形截面短柱轴压受力性能的影响

为研究具有有限扭转的箱形截面短柱轴压受力性能,对其进行了弹性屈曲分析和非线性分析.揭示了初始扭转对轴压短柱中板件的荷载条件、边界条件、局部应力分布特点造成的影响:在弹性状态下,非加载边上存在弯曲约束和横向膜应力,加载边上平行加载方向的截面应力分布不均.指出了箱形截面短柱轴压刚度和极限承载力随相对扭转角增大而增大的一般规律,箱形截面短柱极限承载力对于较小相对扭转角的不敏感性,以及破坏模式同相对扭转角大小的相关性,即很大的相对扭转角会导致破坏模式由局部屈曲转变为局部的强度破坏.     

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。     

螺钉间距对冷弯薄壁双肢拼合箱形截面短柱承载力性能的影响

为了研究螺钉间距对冷弯薄壁型钢(CFS)拼合箱形截面短柱承载力的影响,基于已有的试验结果,利用ABAQUS有限元软件建立经验证为合理可靠的有限元模型,设计4种截面尺寸双肢拼合箱形短柱进行变螺钉参数分析。结果表明:当螺钉间距小于C形基本构件局部屈曲半波长度λ_c时,随着螺钉间距的增大,拼合箱形截面短柱极限承载力呈下降趋势;当螺钉间距等于λ_c时,承载能力略微增大;当螺钉间距大于λ_c时,随着螺钉间距的增大,拼合箱形截面短柱极限承载力呈下降趋势。另外,CFS拼合箱形截面短柱承载力符合"1+1"约等于2的原则,即相对于单肢截面短柱,拼合箱形截面短柱承载力增强不明显。     

竹皮轴压箱形构件整体稳定性能试验研究

基于114个竹皮箱形截面柱进行了轴心受压试验,研究了0.35 mm与0.5 mm两种厚度规格竹皮制作的等边箱形截面柱在不同宽厚比下的整体稳定性能。基于试验结果,分析了竹皮箱形截面柱的失稳破坏形态和整体稳定系数。试验结果表明,箱形截面构件在受荷时同时存在局部失稳与整体弯曲失稳,其中,长细比小于临界长细比的构件在受压时以局部失稳为主,长细比大于临界长细比的构件以整体失稳为主。通过对试验数据分析拟合,计算了两种规格竹皮各3种宽厚比箱形截面构件的临界长细比值,提出了竹皮轴压箱形构件柱子曲线与承载力设计方法,为学生在结构设计竞赛中进行构件截面设计提供科学的理论依据和计算公式。     

厚板焊接柱残余应力的有限元分析

厚板焊接柱极限承载力研究的关键是焊接残余应力的确定.本文应用热弹塑性应力分析理论,有限元法计算了厚板焊接箱形截面的残余应力分布.结果表明:由于三维残余应力的影响,厚板焊接箱形截面中纵向残余拉应力的峰值略高于钢材的屈服点,残余压应力分布区的大小及压应力峰值不仅与焊接输入热量有关,而且与截面积的大小有直接关系.受厚板截面本身的几何形状所影响,箱形截面有焊缝一侧壁板与另一侧壁板残余应力分布及大小有明显的不同.两个1/4箱形截面的焊接残余应力实测基本上验证了理论分析.     

Q550钢焊接箱形截面压弯构件的局部稳定和屈曲后强度

通过12个Q550D钢短柱的单向偏压试验,研究高强钢焊接箱形截面压弯构件的局部稳定性能和极限承载力;将极限承载力与美国、欧洲和中国钢结构设计规范相关公式计算结果相比较,以验证各规范对Q550D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算的适用性。结果表明,在翼缘宽厚比b/t=27.9～56.1,腹板高厚比h/t=40.5～80.1,偏心距e_y=20～50mm,欧洲和中国规范中的相关公式有较高精度,仍然适用于550D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算,而美国规范中相关公式有时偏不安全。     

卷边翼缘工形构件在压弯荷载作用下的稳定承载力设计理论

卷边工形截面构件作为一种高效型材,在弯矩与轴力共同作用下的破坏模型常常是伴随板件局部屈曲的整体失稳。利用板壳有限单元法,研究卷边工形截面构件在板件局部屈曲下的构件整体稳定承载力,建立其稳定承载力设计公式。首先,通过设计大量算例,研究了截面宽高比、腹板高厚比、翼缘宽厚比等截面参数对短柱承载性能的影响,其中考虑了板组之间屈曲的相关作用,获得了考虑板组局部屈曲特性的短柱稳定承载力相关公式。在短柱板件局部失稳承载力研究的基础上,计入构件长细比对长柱面内和面外稳定承载性能的影响,通过数值分析建立了卷边工形构件在压弯荷载作用下的稳定承载力设计公式。     

考虑相关屈曲的轴压铝合金板件有效截面计算

根据板件屈曲微分方程的Levy解,建立了受压箱形截面及槽形截面的弹性相关屈曲理论,给出了相邻板件约束系数的计算式。在现行欧洲铝合金结构设计规范Eurocode 9关于加劲板件及非加劲板件有效截面计算的基础上,通过引入约束系数考虑了相临板件间约束作用对截面承载力的影响,从而进一步完善了铝合金受压板件的局部稳定设计理论。应用非线性有限元软件计算了均匀受压箱形截面及槽形截面铝合金短柱的极限承载力,并与建议方法作了比较。分析表明,受压板件发生局部屈曲时确实存在板组效应,且采用文中提出的计算方法得出的结果在大多数情况下是偏于安全的。     

变截面箱形轴压柱稳定性能研究

为了全面掌握变截面箱形轴压柱的稳定性能以及各种参数对其稳定性能的影响,采用有限元软件AN-SYS对箱形变截面柱进行弹性整体屈曲分析,考虑其楔率和截面长宽比对其特征值屈曲性能的影响;在此基础上对其进行考虑双重非线性和残余应力的全过程极限承载力分析,并结合现行的钢结构规范提出箱形变截面柱的稳定承载力验算公式.     

腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合构件轴压性能试验研究

通过12根腹板开孔复杂卷边槽钢和Σ形复杂卷边槽钢双肢拼合工字形简支轴压构件的轴压试验，研究了构件承载能力、失稳模式和拼合作用。采用有限元软件ANSYS对试验进行了模拟，验证了分析模型准确性。并通过有限元变参数分析研究了孔高、孔宽和孔间距对拼合构件承载力的影响。结果表明：复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的腹板多波失稳现象明显，屈曲发生时两腹板间的相互支撑作用较强；Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件能有效地控制腹板局部屈曲的发生并显著提高短柱、中长柱的承载力；设置腹板加劲肋有助于提高孔洞周围板件变形的约束作用，同时也减弱了两单肢腹板间的相互支撑作用；相同条件下，Σ形复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件的轴压承载效率与复杂卷边槽钢截面双肢拼合开孔构件相比，短柱提高了32%，中长柱提高了10%，长柱提高了2%；非加劲截面构件在不同长度下，孔高为腹板高度1/2(69 mm)时构件的稳定承载力较孔高为25 mm时下降约7%；而孔宽、孔间距对上述两类截面构件稳定承载力影响不大；此外，采用直接强度法预测非加劲截面双肢拼合构件的承载力结果偏于保守，而对加劲截面双肢拼合构件则略显不安全。     

钢管混凝土复合短柱轴压性能试验研究

钢管混凝土复合柱由钢管混凝土柱肢和钢筋混凝土联接板组成。以柱肢钢管壁厚和联接板厚度为试验参数,对7个复合短柱试件进行轴压性能试验研究,同时进行了与复合柱试件组成相对应的4个钢管混凝土柱构件和3个钢筋混凝土板构件的轴压试验。研究复合短柱在轴压荷载作用下的破坏模式和荷载 位移曲线,对比分析试件与对应构件的荷载 应变曲线,研究柱肢钢管壁厚和联接板厚度对复合短柱轴压承载力的影响。试验结果表明：轴压复合短柱受力全过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性发展阶段;轴压复合短柱的破坏特征为钢筋混凝土联接板混凝土压碎,此时钢管混凝土柱肢的受力状态与对应的钢管混凝土构件的受力状态不同,钢管混凝土柱肢并没有充分发挥其自身的承载能力;在复合短柱的轴压承载力计算中应引入柱肢承载力折减系数,该系数与柱肢套箍系数相关;通过对现有的钢管混凝土轴压短柱的试验数据进行回归分析,拟合得到柱肢承载力折减系数的经验计算公式;按照建议方法计算得到的复合短柱的轴压承载力与试验结果吻合良好。     

Load-carrying capacity of high-strength steel box-sections I: Stub columns

To study the load-carrying capacity of thin-walled box-section stub columns fabricated by high strength steel 18Mn2CrMoBA, uniaxial compression experiments of specimens with different geometrical dimensions were carried out. Compared with the predicted values by the AISI Code, the tested load-carrying capacities of the stub columns are much greater, which suggests that the existing effective width method should not be applicable for high strength steel stub columns. The finite element analysis based on ANSYS code was employed to simulate the deformation curves and predict the load-carrying capacities. The numerical values were generally in good agreement with the experimental values. Parameter analysis was performed to investigate the ultimate strength of the high strength steel stub column. The values obtained indicate that the width-thickness ratio of the flange and the section side ratio should be the main factors to decide the ultimate strength of the stub column. Taking the width-thickness ratio and the section side ratio as parameters, a formula to predict the loading capacity of the high strength steel stub column was put forward and proved to be effective by the tested and numerical values.     

钢管混凝土复合柱静力试验与偏心率折减系数计算方法

以偏心率为参数,对4根钢管混凝土复合柱和4根钢管混凝土格构柱进行了受压试验和有限元分析,对比分析了试件的破坏过程与特征、受压承载力和荷载-位移曲线以及荷载-应变曲线。试验结果表明：轴压复合短柱的破坏以钢筋混凝土板的压碎和纵筋屈服为特征,此时钢管混凝土柱肢没有充分发挥其自身的轴压承载能力;偏压复合短柱的破坏形态为近载侧钢筋混凝土板压碎同时柱肢钢管出现鼓曲,对应柱肢的受力状态与钢管混凝土格构柱的相似。当偏心率相同时,钢管混凝土复合柱的初始受压刚度和承载力均大于钢管混凝土格构柱,两者的初始抗弯刚度接近,但由于钢筋混凝土板在受力后期仍可有效传递截面剪力,钢管混凝土复合柱的侧向位移明显小于钢管混凝土格构柱。钢管混凝土复合柱的偏心率折减系数随偏心率的变化情况与钢管混凝土格构柱的基本相似。以钢管混凝土格构柱的基本计算式为基础,利用试验和有限元参数分析结果对其进行修正,得到钢管混凝土复合柱的偏心率折减系数计算方法,折减系数的计算结果与试验结果吻合良好。     

钢板-砖砌体组合短柱轴心受压性能试验研究与理论分析

为了研究钢板-砖砌体组合柱中对拉螺栓间距、钢板厚度与结构胶侧向黏结力对钢板局部屈曲的影响,对6个钢板-砖砌体组合短柱试件进行轴心受压试验。结果表明,随着钢板厚度的增加、螺栓间距与钢板厚度之比的减小,钢板局部屈曲变形程度相对降低;可见屈曲荷载与极限荷载的比值为70%~85%左右;在有结构胶侧向黏结力作用下,钢板的局部屈曲发展受到一定程度的约束,使得采用应变片读数判断的钢板局部屈曲临界点与钢板发生可见屈曲变形时对应的荷载值可能存在差异。基于试验数据,通过拟合分析得到钢板发生可见屈曲变形时的钢板应力计算模型,提出轴心受压钢板-砖砌体组合柱钢板发生可见屈曲变形时的承载力计算式。通过与试验结果的对比可知,提出的计算方法可以用于指导类似构件的设计。     

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.     

不同圆心角圆端形钢管混凝土短柱轴压性能

为研究圆心角60°和120°圆端形钢管混凝土短柱轴压力学性能,对4个圆端形钢管混凝土短柱进行轴压试验,探究不同圆心角和宽厚比对其极限承载力的影响。基于试验结果,应用有限元软件ABAQUS进行三维实体建模,对圆端形钢管混凝土短柱进行参数分析,研究了钢材强度、混凝土强度、宽厚比、高宽比、尺寸效应等对极限承载力的影响。基于参数分析,建立圆心角为60°和120°圆端形钢管混凝土短柱极限承载力实用计算公式。结果表明:破坏形态均为局部屈曲破坏,且平直段区域均出现局部屈曲现象; 随圆心角增大,构件极限承载力增大; 随宽厚比增大,极限承载力呈现下降趋势; 当圆弧段圆心角从60°增大至120°时,强度指标降低,表明整体约束效应减弱; 圆端形钢管混凝土轴压短柱的整体约束效应随圆心角增大而减小; 随着钢材强度、混凝土强度的增大和构件宽厚比的减小,极限承载力逐渐增大; 不同圆心角的尺寸效应对其极限承载力与初始刚度的影响类似,随着构件尺寸增大,极限承载力与初始刚度均呈现增大的趋势。     

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。