初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲性能研究

初始扭转杆在工程设计中有着广泛的应用.通过对初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲性能的研究表明,初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲位移在两截面主轴平面上相互耦合.初始扭转角使得强轴对压杆绕弱轴的屈曲位移产生"抵抗"作用,从而提高了杆的弹性弯曲屈曲临界荷载.同时,提出基于初始扭转轴压杆弹性弯曲屈曲变形后的位移曲线是平面位移曲线的假定,提出需进一步验证分析.     

初始扭转轴压杆弹性扭转屈曲性能研究

初始扭转杆在工程设计中有着广泛的应用。通过对初始扭转轴压杆弹性扭转失稳性能的研究表明:初始扭转轴压杆弹性扭转屈曲承载力与初始扭转角ω无关,与一般无初始扭转轴压杆扭转失稳承载力相等。同时,还以有限元法对初始扭转角不同的轴压杆进行参数分析,验证了初始扭转轴压杆弹性扭转失稳的理论值的正确性。     

轴心受压杆件的弯曲屈曲

全面梳理了轴压杆弯曲屈曲的理论分析过程和工程应用方法。欧拉公式解决了轴压杆弹性区的弯曲屈曲问题。欧拉之后的学者完善了非弹性区的问题,建立了以切线模量理论为基础的轴压杆非弹性区弯曲屈曲的欧拉公式。其后的学者通过考虑安全度的方式将其用于工程设计。新版《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)沿用我国自88钢规以来的做法,以等效初挠度综合考虑初始缺陷,按压弯杆计算给出轴压杆弯曲屈曲的设计公式。     

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.     

卷焊圆管、方管轴压杆的脆性屈曲

钢管截面构件受压时为脆性屈曲,可靠指标β与普通压杆理应有所不同,但目前国内有关设计规范(程)对此都没有反映。本文采用弹塑性梁柱理论、数值积分法计算了卷焊圆管、方管截面轴压杆完整的荷载-位移曲线,分析了纵向焊接残余应力、初弯曲、板件宽厚比(径厚比)对钢管压杆屈曲及屈曲后性能的影响,提出了圆管、方管截面轴压杆稳定承载力计算方法。     

考虑支座约束影响的大角钢轴压杆失稳形态研究

针对大角钢轴压杆失稳形态这一问题,对90根大角钢构件进行轴压试验,并考虑试验中支座的弯曲转动刚度和扭转转动刚度的影响,对大角钢构件绕非对称轴的弯曲长细比和绕对称轴的扭转长细比进行了修正。研究结果表明:大角钢轴压杆的失稳形态以弯曲失稳为主,对于长细比小于40的大角钢轴压杆可不用验算其弯扭屈曲承载力,仅按弱轴弯曲屈曲计算其承载力便可保障设计安全,对工程设计具有指导意义。     

轴心受压杆件设计

通过对美钢规轴压杆设计方法进行解读,并与17钢标设计方法进行对比,全面介绍了轴压杆弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲的设计思路及两国规范的异同,有助于理解三种屈曲的设计实现。美国AISC 360-16《建筑钢结构标准》(简称"美国钢标")中轴心受压杆件稳定的强度能力计算规定在第E章计算中,抗压强度取φ_cP_n,受压抗力系数φ_c为0.9轴心受压强度P_n取弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲强度之最小值。1)弯曲屈曲分析时美国钢标的柱子曲线原为三条,现改为一条。轴压弯曲屈曲强度能力P_n=F_(cr)A_g,其中F_(cr)=0.658~(F_y/F_e)F_y或F_(cr)=0.877F_e,F_e=π~2E/(L_c/r)~2。美国钢标的柱子曲线分两段,界限长细比为137(F_y=235 MPa),正则化长细比λ_c=L_c/πr~(1/2)F_y/E=1.5。弹性阶段以欧拉临界力为基准取0.877的折减系数以考虑杆件的几何缺陷的影响。该概念清楚,且与欧拉公式接轨。非弹性阶段考虑了材料进入比例极限后广义欧拉公式的非线性性质,并考虑了杆件的几何缺陷和残余应力。2)弯曲屈曲分析时,GB 50017-2017《钢结构设计标准》(简称"17钢标")采用四条柱子曲线,弯曲屈曲稳定承载力按N/φAf≤1.0计算,考虑杆件的初始缺陷和残余应力,稳定系数φ按压弯杆件弯曲屈曲临界力确定,适用于弹性区和弹塑性区,设计时先计算出杆件两个主轴方向的长细比,并取较大长细比,再由φ=1/(2λ_n~2[(α_2+α_3λ_n+λ_n~2)-~(1/2)(α_2+α_3λ_n+λ_n~2)~2-4λ_n~2]或φ=1-α_1λ_n~2得到稳定系数φ。3)在扭转屈曲和弯扭屈曲分析时对于双轴对称截面,可能发生扭转屈曲。对于单轴对称截面及无对称轴的截面,可能发生弯扭屈曲。扭转屈曲和弯扭屈曲的强度能力P_n=F_(cr)A_g,其中,F_(cr)=0.658~(F_y/F_e)F_y或F_(cr)=0.877F_e,这里的F_e取扭转屈曲或弯扭屈曲的临界应力。由此可见美国钢标的扭转屈曲和弯扭屈曲是计算出相应的弹性临界力后,按弯曲屈曲的柱子曲线进行计算的。4)扭转屈曲和弯扭屈曲分析时,17钢标的扭转失稳临界力为N_z=1/i_0~2(GI_t+π~2EI_ω/l~2),将该式除以A后可知,美国钢标与17钢标计算扭转屈曲临界力的公式是一致的。具体应用时,17钢标采用等效长细比的概念,将由λ_z=~(1/2)I_0/I_1/25.7+I_w/l_w~2得到的扭转屈曲的长细比,按弯曲屈曲长细比考虑,由前述方法计算稳定系数φ,这与美国钢标的考虑方法是一致的。所不同的是美国钢标的柱子曲线弹性区按欧拉临界力乘以折减系数取值,非弹性区更接近试验曲线;17钢标以回归的试验曲线作为柱子曲线。17钢标采用(N_(Ey)-N_(yz))(N_z-N_(yz))=N_(yz)~2 y_s~2/i_0~2计算弯扭屈曲临界力N_(yz);美国钢标中,令x_o=0,得到单轴对称弯扭屈曲方程为(F_e-F_(ey)(F_e-F_(ez)=F_e~2(y_o/r_o)~2,此两式实质上相同,即17钢标与美国钢标的弯扭屈曲计算法相同。可知对于轴心受压杆件美国钢标和17钢标均给出了弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲的设计公式,两者均以弯曲屈曲的柱子曲线作为三种屈曲的稳定系数。美国钢标采用一条柱子曲线,17钢标采用四条柱子曲线,均考虑了杆件几何初始缺陷和残余应力,且均与各国的相关试验结果相符。美国钢标和17钢标的扭转屈曲和弯扭屈曲均源自相同的弹性稳定平衡方程,采用等效临界力的方法转换成弯曲屈曲临界力,利用弯曲屈曲柱子曲线进行设计计算。     

轴心受压杆件的弯扭屈曲

全面梳理了轴压杆弯扭屈曲的理论分析过程和工程应用方法。只有一个对称轴或无对称轴的截面,可能出现弯扭屈曲;当为双轴对称截面时,可能发生扭转屈曲;这时临界荷载可能小于通常的弯曲屈曲的欧拉临界荷载。根据弹性弯扭屈曲理论,GB 50017—2017《钢结构设计标准》给出了扭转屈曲和弯扭屈曲的设计公式。     

FRP加固变截面局部损伤钢压杆的大挠度屈曲分析

考虑任意多区域局部损伤和FRP材料对变截面钢压杆弯曲刚度的贡献以及初弯曲、初偏心两种几何缺陷的耦合影响,首次基于大挠度理论建立了FRP加固变截面损伤钢压杆的稳定微分方程。提出一种将杆轴初始挠度近似拟合成圆弧的初弯曲模型,推导出压杆大挠度屈曲时最大挠度、荷载与杆端转角之间的函数关系。建立了基于边缘屈服准则的弯矩作用平面内稳定承载力的计算公式。探讨了局部损伤、FRP粘贴厚度、初弯曲、初偏心等参数对变截面局部损伤钢压杆FRP加固后的大挠度屈曲性能的影响。数值算例与已有文献对比和参数分析证明了本文解析算法、公式及结论的正确性和有效性。     

压-弯-剪-扭复合受力钢筋混凝土L形截面柱抗震性能试验研究

为研究压-弯-剪-扭复合受力下钢筋混凝土L形截面柱的抗震性能,以扭弯比、轴压比为变化参数,设计6个钢筋混凝土柱试件在恒定轴力和反复弯-剪-扭复合作用下的加载试验。观察试件的破坏过程和形态,得到其扭矩-扭转角滞回曲线和荷载-位移滞回曲线,以及试件的开裂点、峰值荷载点和破坏点等特征参数。基于试验数据,分析扭弯比和轴压比变化对钢筋混凝土L形截面柱的压碎区高度、钢筋应变、承载力、位移延性、层间侧移角、耗能能力、承载力及刚度退化等抗震性能指标的影响。结果表明:低周反复压-弯-剪-扭钢筋混凝土L形截面柱破坏形态表现为弯曲、弯扭和扭剪破坏,滞回曲线呈捏拢的S形,随着扭弯比的增大,柱根部压碎区高度变小,翼缘裂缝发展更为完善,纵筋应力增大,箍筋应力减少,开裂荷载和受扭承载力均有提高,试件扭转延性提高但位移延性降低,初始刚度较小且退化更为平稳;而轴压比则与受扭承载力和弯曲刚度密切相关,轴压比越大,受扭承载力越大,弯曲刚度提高;试件弯曲耗能的等效黏滞阻尼系数在0. 08～0. 28之间,扭转耗能的等效黏滞阻尼系数为0. 13～0. 23,试件耗能占比由初期扭转耗能为主向弯曲耗能转变,L形截面柱性能水平对应的层间位移角均能满足相关规范要求。扭矩的存在对试件抗震性能削弱较大。     

铝合金轴压构件屈曲荷载计算方法

铝合金轴压构件在建筑工程中有着广泛应用,但由于其材料弹性模量低,稳定问题比钢结构更加突出。文中对铝合金轴压构件进行屈曲分析,提出屈曲模式。采用解析法分析并结合现有轴压构件的各种屈曲理论,给出适合铝合金轴压构件的屈曲荷载计算公式,介绍有限样条法在构件屈曲分析中的应用,并用其验证所提出的各项屈曲荷载计算公式的正确性。     

考虑柱间相互作用的无侧移柱计算长度系数求解

轴压力作用下,上下邻接柱子相互牵制,最终共同失稳.从新角度出发,将邻接柱子与梁一起视为约束构件,提出无侧移框架柱子计算长度系数的求解方法,该方法充分考虑轴压力对约束构件的影响以及柱子之间的相互作用.通过算例计算,较之<纲结构设计规范>的提供方法,计算精度更好,可供工程设计参考和使用.     

考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的钢筋混凝土柱抗震性能试验研究与非线性分析

基于柔度法的纤维模型能更高效地计算钢筋混凝土柱的材料强非线性受力特征,但不考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型仍将明显降低其受力后期的数值模拟精度。以8根钢筋混凝土柱抗震性能试验结果为基础,在OpenSees平台上采用可以考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型以及柔度法纤维模型,对柱的滞回性能进行分析。分析结果表明,与小轴压比柱相比,纵筋屈曲对高轴压比柱峰值荷载之后的水平承载力退化影响更明显;对纵筋长径比小于3.0的柱,纵筋屈曲对非线性分析结果的影响可基本忽略;纵筋长径比为5.00~8.75且柱轴压比较小时,纵筋屈曲对分析结果有一定影响,但考虑疲劳损伤的计算结果能更好模拟柱软化段的水平承载力退化特征;柱轴压比较大且纵筋长径比为6.25~7.00时,考虑纵筋屈曲、疲劳损伤均会明显减小承载力退化的计算误差。同时考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的分析结果能更好地反映柱的承载力退化特征。     

Stability evaluation of steel girder members in long-span cable-stayed bridges by member-based stability concept

The member-based design concept utilizing the buckling length of each structural member has been widely used to assess the buckling instability of steel structures. Since steel girder members in conventional cable-stayed bridges are generally exposed to large axial forces, the buckling instability of these members should be carefully investigated in the design stage. However, analytical approaches for obtaining the buckling lengths of steel members, such as the alignment chart, story-buckling and story-stiffness methods, may not be adopted to cable-stayed bridges because these approaches imply some theoretical assumptions that are adequate only for steel framed-structures. Furthermore, the boundary conditions of steel girder members supporting by cables are obscure to be prescribed in general terms. Numerical eigenvalue analysis may be one of the most excellent candidates for determining the buckling lengths of steel girder members in that this method can handle the interactions among members implicitly without any irrelevant assumptions for cable-stayed bridges. This paper discusses detailed procedures for obtaining buckling lengths of steel girder members in cable-stayed bridges by numerical eigenvalue analysis. In order to avoid the problem of generating excessively large buckling lengths in some girder members having small axial forces, a modified eigenvalue analysis is proposed by introducing the concept of a fictitious axial force. Practical application example for a real cable-stayed bridge is illustrated with some discussions on the effect of the proposed modification and stability evaluation by member-based stability concept.     

卷边Z型钢的相关屈曲及有效宽度

采用有限条法分别对轴心受压、受弯卷边Ｚ型钢构件的弹性相关屈曲作了分析,推导出板件屈曲系数表达公式,并阐明按现行《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（ＧＢＪ１８－８７）计算轴压卷边Ｚ型钢构件偏于不安全,而对于受弯构件又过于保守,最后给出了计算Ｚ型钢有效宽度的建议公式。     

双参数突加荷载作用下的直杆动力屈曲研究

本文在分析动力屈曲控制方程解的基础上,考察了双参数突加荷载作用下直杆动力屈曲现象,定义了动力屈曲准则,提出了确定临界荷载的简便方法,同时给出了计算实例,表明与试验结果较好吻合。     

Submarine pipeline buckling—imperfection studies

In-service buckling of submarine pipelines can occur due to the institution of axial compressive forces caused by the constrained expansions set up by thermal and internal pressure actions. Previous attempts at modelling the appropriate behaviour have been based on idealised or perfect pipelines; further, such analyses have also employed fully mobilised friction forces. Herein presented is a set of analyses which incorporate structural imperfections and deformation-dependent axial friction resistance. Not only do these features enable a more rational interpretation of submarine pipeline buckling behaviour to be established, but, in addition, an inherent limitation existing in the previous mathematical modelling of the vertical buckling mode is elucidated and overcome.     

Buckling and postbuckling behaviour of cylindrical shells under combined external pressure and axial compression

Buckling and postbuckling behaviour of perfect and imperfect cylindrical shells of finite length subject to combined loading of external pressure and axial compression are considered. Based on the boundary layer theory which includes the edge effect in the buckling of shells, a theoretical analysis for the buckling and postbuckling of circular cylindrical shells under combined loading is presented using a singular perturbation technique. Some interaction curves for perfect and imperfect cylindrical shells are given. The analytical results obtained are compared with some experimental data in detail, and it is shown that both agree well. The effects of initial imperfection on the interactive buckling load and postbuckling behaviour of cylindrical shells have also been discussed.