蜂窝钢梁孔间腹板屈曲性能研究进展

蜂窝梁因腹板开洞,导致孔间腹板承受复杂的剪力、轴力和弯矩的共同作用,可能发生强度破坏和稳定破坏等多种破坏模式。孔间腹板破坏模式对蜂窝梁受力性能有着显著影响,孔间腹板屈曲承载力计算是蜂窝梁抗剪设计的主要内容。对国内外现有蜂窝梁孔间腹板屈曲问题的研究成果进行了综述,内容包括相关试验研究、理论方法及有限元分析等,分析了相关方法的适用范围及其存在的问题,指出了进一步研究方向。     

螺栓连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能分析

对螺栓连接蜂窝梁和传统焊接连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能进行了有限元分析,研究了不同连接方式对蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲承载力的影响。蜂窝梁上、下两部分的连接方式包括焊接、螺栓搭接连接、借助单侧拼接板对接和借助双侧拼接板对接等。结果表明,在相同截面尺寸、相同孔径的情况下,螺栓连接蜂窝梁具有与传统焊接蜂窝梁相同的受力性能;除借助单侧拼接板对接的蜂窝梁发生孔间腹板局部压屈与费氏剪力塑性铰耦合破坏外,其它连接方式的蜂窝梁均发生孔间腹板屈曲破坏;不同的连接方式对蜂窝梁的屈曲承载力影响较小,但对其跨中挠度影响较大。     

火灾下螺栓连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能分析

采用有限元方法研究了火灾下螺栓连接蜂窝梁的屈曲性能,并与传统焊接蜂窝梁进行了比较,分析了不同连接方式对蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲温度的影响。除焊接连接蜂窝梁外,还对上、下两T形部分采用螺栓搭接连接、借助单侧拼接板对接连接和借助双侧拼接板对接连接的蜂窝梁进行了研究。对焊接连接蜂窝梁和螺栓连接蜂窝梁,均假设腹板孔间温度均匀分布。分析结果表明:在相同截面尺寸情况下,螺栓连接蜂窝梁几乎具有与传统焊接蜂窝梁相同的抗火性能;借助单侧拼接板和借助双侧拼接板对接连接的蜂窝梁的屈曲温度略大于传统焊接蜂窝梁的屈曲温度;而采用螺栓搭接连接蜂窝梁孔间腹板的屈曲温度稍低于焊接连接蜂窝梁的屈曲温度。     

火灾下蜂窝钢梁腹板屈曲性能研究

通过有限元方法研究火灾下无防火保护蜂窝钢梁孔间腹板屈曲性能及屈曲温度。首先采用有限元传热分析,获得标准火灾下无防火保护蜂窝梁不同受火时刻的三维有限元温度分析结果,然后采用有限元受力分析确定三维有限元温度分析结果下蜂窝梁孔间腹板的受力性能和屈曲温度。传热分布结果表明,开孔后增加了孔洞周边厚度方向上腹板与空气间的热量交换,使得腹板升温速率明显大于翼缘。火灾下结构受力分析结果表明,由于钢材的力学性能随温度升高而降低,而且中心腹板升温速率快使蜂窝梁更易发生孔间腹板屈曲破坏。蜂窝梁的屈曲温度随孔间距及腹板厚度的增大而增大。通过对采用三维有限元温度分布与均匀温度分布的蜂窝梁进行对比分析,结果表明,由于不均匀温度分布使得沿腹板高度产生附加热应力,从而使得孔间腹板屈曲变形增大。     

六边形孔蜂窝梁腹板的屈曲性能分析

蜂窝梁是腹板开孔钢梁的一种,由于其结构合理、经济美观,已被广泛应用于工业与民用建筑、桥梁及轮船等多个领域。本文借助有限元分析软件ANSYS对六边形孔蜂窝梁腹板的屈曲性能进行了分析,求出了单孔、双孔以及多孔腹板在纯弯和纯剪作用下的屈曲模态和屈曲系数,拟合了相应的计算公式,并最终确定了腹板的高厚比限值,可供有关设计参考。     

蜂窝梁腹板在纯弯状态下的屈曲性能分析

基于薄板的屈曲理论,通过有限元分析软件ANSYS对带有六边形孔的腹板进行了屈曲性能分析,求出了单孔及双孔腹板在纯弯作用下的屈曲形态和屈曲系数,并最终拟合了板的高厚比限值,可供有关设计参考。     

纯弯状态下蜂窝梁腹板的弹性屈曲分析

针对蜂窝梁腹板在纯弯状态下的弹性屈曲,利用ANSYS 15.0建立了正六边形孔蜂窝梁腹板在纯弯应力状态下的有限元模型,研究了四边简支开孔板在纯弯状态下的屈曲模式,分析了孔洞尺寸对蜂窝梁腹板屈曲临界应力的影响,提出了纯弯状态下开孔板的屈曲系数计算式,得到了蜂窝梁开孔腹板在纯弯状态下的高厚比限值。研究表明:无论开孔数目多少,最大平面外屈曲位移均发生在各孔洞正上边缘;蜂窝梁腹板高厚比是影响开孔板屈曲临界应力的主要因素,建议对于弯矩作用较大的蜂窝梁腹板取0.6γ0.7,0.7β0.8的孔洞尺寸容易实现稳定性和经济性要求(γ为孔高比,β为距高比);拟合出的开孔板屈曲系数计算式,误差不超过5%,具有良好的精度。     

圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板屈曲承载力计算方法对比研究

分析对比了圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板屈曲承载力的不同计算理论,包括楔体理论模型、英国钢结构协会计算手册理论模型、LAWSON理论模型及斜压柱模型等。采用不同理论对蜂窝梁孔间腹板的屈曲承载力进行了计算,并与试验结果进行了对比。结果表明,应用于六边形孔的楔体理论计算值过于保守,与试验值偏差均超过50%;应用于圆形孔的英国钢结构协会计算手册理论模型及LAWSON理论模型计算值也过于保守,偏差范围在58%~70%之间;斜压柱理论相比其它方法,计算结果较为准确,偏差范围在7.6%~39%之间。并采用验证的有限元方法分析了不同孔距、孔高及腹板厚度的蜂窝梁孔间腹板的屈曲承载力。应用斜压柱理论模型计算孔间腹板剪力承载力,与有限元参数分析结果对比表明,斜压柱模型按规范BS 5950-1:2000计算的理论值过于保守,理论值与有限元结果比值范围在0.185~0.384之间;按规范EN 1993-1-1计算的理论值评价孔距较小(S/d_0=1.4)蜂窝梁的剪力承载力时偏于安全,理论值与有限元结果比值范围在0.878~0.972之间,当孔距较大(S/d_01.4)时,理论结果偏于不安全,理论值与有限元结果比值范围在1.054~1.818之间,需要进一步修正。     

圆孔蜂窝梁的弯扭屈曲分析

为了对纯弯状态下圆孔蜂窝梁的弯扭屈曲进行研究,将蜂窝梁翼缘和腹板分离,采用有限元软件ANSYS对蜂窝梁开圆孔腹板进行侧向纯弯分析,由挠度-刚度关系反算侧向刚度,得出开孔腹板相对于实心腹板的刚度折减系数ky。考虑开孔腹板的径高比和距高比,经拟合给出了刚度折减系数ky的计算公式,用该系数对蜂窝梁的自由扭转刚度进行修正,代入实腹工字截面梁弯扭屈曲临界弯矩计算公式,得到蜂窝梁的相应计算公式。最后利用该公式分别对不同跨度、不同孔况的简支蜂窝梁在纯弯状态下的弯扭屈曲临界弯矩进行计算,并与有限元分析结果进行对比。分析结果表明,修正后的临界弯矩计算公式具有较高精度。     

简支圆孔蜂窝梁挠度分析

根据简支梁刚度计算的基本原理,通过理论分析并结合有限元计算结果,对圆孔蜂窝梁挠度计算方法进行了探讨,提出圆孔蜂窝梁跨中的挠度计算公式,并给出了具体算例。同时,研究出影响梁挠度放大系数的各参数及其规律。实践证明,该计算方法和分析结果在工程设计中方便、精确、可行。     

蜂窝梁的设计应用

讨论了蜂窝梁在各国的应用以及相应的规范，以某工程为例，简单地介绍了该工程中应用到的蜂窝梁的设计过程，以使蜂窝梁得到更广泛地应用。     

撞击荷载下带吸能装置的钢筋混凝土桥墩动力响应研究

对带吸能装置的钢筋混凝土桥墩进行了落锤撞击荷载动力响应分析。根据伯努利-欧拉理论求解其振型,利用拉格朗日方程和落锤运动方程推导其弹性阶段的动力响应和吸能装置的位移时程表达式,从而求得桥墩的动内力。然后,将计算结果与承受轴力的侧向落锤撞击荷载试验结果进行对比,两者符合较好。这表明,本算法用来求解撞击荷载作用下带吸能装置的钢筋混凝土桥墩其弹性阶段的动力响应是可行的,因而具有一定工程应用价值。     

蜂窝梁的稳定性能研究进展

对蜂窝梁破坏模式的研究表明，失稳是其结构性能失效的重要破坏模式。为此，在回顾蜂窝梁结构特性研究的基础上，总结归纳了蜂窝梁失稳的3种主要模式：整体弯扭失稳、梁墩屈曲、畸变屈曲。结合国内外近30多年来对蜂窝梁稳定性的试验研究成果，对影响蜂窝梁稳定性的主要因素进行分析。采用蒙特卡洛法得到纯弯简支蜂窝梁弯扭失稳临界荷载的概率分布和影响因子的敏感度。将部分具有代表性的试验成果与欧洲规范EN 1993-1-1计算结果进行对比，根据中国规范GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》提供的抗力分项系数，计算了不同荷载组合下蜂窝梁整体弯扭失稳临界荷载的可靠度指标，为国内规范的制订提供依据。最后，总结了当前蜂窝梁稳定性研究中存在的不足，指明了进一步研究的方向。     

水平荷载作用下框架结构动力稳定性研究

讨论了利用时程分析研究框架结构动力稳定性的具体思路和方法，研究了荷载持时对临界荷载的影响，结果表明冲击荷载临界值随荷载持时的增加而减小，但当荷载持时大于1．5倍的结构基本周期时，冲击荷载临界值趋于阶跃荷载临界值。     

有限元在计算简支梁屈曲荷载中的应用

介绍了有限元ANSYS中壳元模型的建立步骤,并利用有限元ANSYS程序对简支梁屈曲荷载进行了求解,通过理论分析与有限元结果的比较,验证了有限元ANSYS程序计算结果的正确性,并为外形和受力复杂的简支杆件的稳定承载能力的计算提供了参考依据。     

腹板开洞型梁柱节点性能研究

采用ANSYS非线性有限元方法对腹板开洞型节点进行了分析研究，得到了不同开洞半径的节点在荷载作用下的Von Mises应力分布、塑性区分布、弹性极限承载力及剪力分布，并与标准型节点的性能进行了对比分析。     

Dynamic effects on buckling and energy absorption of cylindrical shells under axial impact

The crushing behaviour of aluminium and steel cylindrical shells, when subjected to an axial impact, is examined using a numerical simulation. The influence of the material properties, shell geometry, boundary conditions and loading techniques on the energy absorbed and the buckling shapes is explored. Various shell response characteristics, such as the peak load, fold lengths, axial compression and energy absorption are studied. An examination is also made of the influence of filtering on the accuracy of data obtained usually in dynamic tests.     

Numerical method for predicting the elastic lateral distortional buckling moment of a mono-symmetric beam with web openings

When used as floor joists, the new mono-symmetric LiteSteel beam (LSB) sections require web openings to provide access for inspections and various services. The LSBs consist of two rectangular hollow flanges connected by a slender web, and are subjected to lateral distortional buckling effects in the intermediate span range. Their member capacity design formulae developed to date are based on their elastic lateral buckling moments, and only limited research has been undertaken to predict the elastic lateral buckling moments of LSBs with web openings. This paper addresses this research gap by reporting the development of web opening modelling techniques based on an equivalent reduced web thickness concept and a numerical method for predicting the elastic buckling moments of LSBs with circular web openings. The proposed numerical method was based on a formulation of the total potential energy of LSBs with circular web openings. The accuracy of the proposed method's use with the aforementioned modelling techniques was verified through comparison of its results with those of finite strip and finite element analyses of various LSBs.     

腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁局部屈曲性能及直接强度法研究

为了研究腹板开孔复杂卷边冷弯槽钢梁的局部屈曲性能，以及探究北美冷弯型钢结构设计规范(AISI S100-2016)中腹板开孔冷弯槽钢梁局部屈曲直接强度法计算公式的可靠性，对孔高比(孔洞高度与腹板高度的比值)分别为0、0.2、0.4、0.6和0.8的10个腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁纯弯试件进行了静力试验研究。试验结果表明，开孔和不开孔试件均发生以局部屈曲为主的屈曲破坏模式，与不开孔试件相比，开孔试件的受弯承载力下降，且下降幅度随孔高比的增大而增大。利用ANSYS有限元程序对试验进行了模拟分析，分析结果与试验结果吻合良好；在此基础上，采用经试验验证的有限元模型，通过变换腹板高度、板厚和孔高比开展了有限元参数分析，并根据有限元参数分析结果对已有腹板开孔冷弯槽钢梁的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式进行了修正。基于试验结果、有限元参数分析结果以及修正的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式，对AISI S100-2016中开孔冷弯槽钢梁发生以局部屈曲为主破坏时的直接强度法计算公式进行了修正。