高强钢焊接箱形截面双向压弯构件屈曲后强度设计方法研究

相比于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003),《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)取得了较大的进步,允许板件先于构件发生屈曲,并利用了板件屈曲后强度。GB 50017—2017对轴心受压构件、受弯构件和单向压弯构件均给出了屈曲后强度计算公式,但对双向压弯构件却未给出计算公式。分析了已有的高强钢压弯构件屈曲后强度计算方法,基于GB 50017—2017中的压弯构件稳定承载力计算公式,提出了双向压弯构件屈曲后强度计算公式,收集已有高强钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度的试验和有限元结果以验证公式的有效性。研究结果表明,提出的计算公式能在大部分构件长细比和板件宽厚比范围内偏于保守地预测名义屈服强度为460 MPa和690 MPa的高强钢焊接箱形截面双向压弯构件的屈曲后强度。     

高强钢焊接箱形截面压弯构件局部稳定试验研究

为研究高强钢压弯构件的局部稳定性能，对5个Q460C和5个Q690D钢焊接箱形截面构件进行了单向偏压试验，分析了其破坏形式、局部稳定性能以及承载力；将实测承载力与欧洲规范EN 1993-1、我国标准GB 50017—2017和美国规范ANSI/AISC 360-16相关公式计算结果相比较，以验证各规范对Q460C钢和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件屈曲后强度计算的适用性。研究结果表明：所有高强钢焊接箱形截面压弯构件均在柱中附近发生局部屈曲破坏；由轴向压力-轴向压缩变形或轴向压力-水平位移曲线可知，其为极值点失稳；构件的轴向压力-水平位移或轴向压力-应变曲线的形状和局部屈曲模式有关；在翼缘宽厚比为28.1～56.3、腹板高厚比为40.2～80.4、偏心距为20～50 mm范围之内，EN 1993-1和GB 50017—2017中的屈曲后强度计算公式仍然适用于Q460C和Q690D钢焊接箱形截面压弯构件，而ANSI/AISC 360-16中的相关公式需要进一步修正。     

高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件的稳定承载力

采用ANSYS软件建立有限元模型分析了Q460钢焊接薄壁箱形截面双向弯曲压弯构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷和材料缺陷,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,研究了构件长细比和板件宽厚比对极限承载力的影响;探明构件达到极限承载力时真实的应力分布状态;提出了采用毛截面计算其承载力的简单计算公式;收集可获得的试验结果以验证提出的计算公式。研究表明,建立的有限元模型能够很好地模拟焊接箱形截面双向偏心压弯构件的局部-整体相关屈曲性能;在大部分情况下,无量纲极限承载力与构件长细比和板件宽厚比近似为线性关系;构件达到极限承载力时还处于弹性阶段;轴力和双向弯矩之间的相关曲线也近似为线性;引入屈服强度修正系数后,基于线性相关关系的计算公式能够很好地预测Q460钢薄壁双向压弯构件的极限承载力;该公式还可推广到普通钢构件和更高强度的钢构件。     

高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件局部和整体相关屈曲试验研究

通过13个Q460C、Q550D和Q690D钢中长柱的双向偏压试验,研究了高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件的局部-整体相关屈曲性能和极限承载力;将极限承载力与美国、欧洲规范以及新提出的计算公式的计算结果相比较,以验证它们对高强钢焊接薄壁箱形截面双向压弯构件局部-整体相关屈曲计算的适用性。结果表明,在钢材名义屈服强度fy=460～690 MPa,板件宽厚比b/t=40～70,构件长细比λ=45～79,偏心距ex=ey=20～45 mm范围内,美国规范ANSI/AISC 360-16对较大长细比（λ=79）和Q690D钢较小宽厚比（b/t=40）试件的计算结果偏于保守;欧洲规范BS EN 1993-1-1对较小板件宽厚比（b/t=40）试件的计算结果偏于保守,对其余试件是安全的;使用新提出的有效屈服强度法所得到的计算结果和试验结果吻合良好;新提出的有效截面法对大部分试件的计算结果偏于保守。     

高强钢方管截面双向压弯构件局部和整体相关屈曲研究

采用ANSYS软件建立的考虑初始几何缺陷和残余应力影响的有限元模型分析了板件宽厚比、构件长细比以及荷载相对偏心率对构件极限承载力的影响;提出了利用有效屈服强度系数来计算构件极限承载力的建议公式。研究表明:板件宽厚比(或构件长细比)增大均会导致构件无量纲极限承载力减小,且无量纲极限承载力的减幅会随偏心率的增大而减小;偏心率增大也会使构件无量纲极限承载力减小;构件弯矩-轴力相关曲线大致呈线性变化;建议公式计算结果与有限元计算结果吻合较好。     

宽薄腹工形截面压弯构件的平面外稳定设计

《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶2002)关于宽薄腹工形等截面压弯构件的平面外稳定计算,虽然基本原理相同,但具体方法差别很大。通过对试验数据、数值法的分析结果与按这两种方法的结果比较,发现“规范”的方法在很大范围内偏于保守,不甚合理;而“门规”的方法更为经济合理,建议规范也采用“门规”的方法对宽薄腹工形截面压弯构件的平面外稳定进行计算,使设计更加统一,经济合理。     

宽薄腹工形截面压弯构件的平面内稳定设计

钢结构设计规范(GB50017-2003)、门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS1022002)关于宽薄腹工形等截面压弯构件的平面内稳定计算,虽然基本原理相同,但具体方法差别甚大。通过对试验数据、由数值法所得的分析结果与按这两种方法的计算结果比较,发现规范的方法在很大范围内偏于保守,且不甚合理;而门规的方法更为经济合理,建议规范也采用门规的方法对宽薄腹工形等截面压弯构件作平面内的稳定计算,使设计更加统一,经济合理。     

焊接H形截面钢压弯构件截面优化设计

手算法选择压弯钢构件截面时,往往要经过多次尺寸调整后才能满足强度、整体稳定、局部稳定、刚度几方面的要求,计算过程既繁又慢,且不易得到最优截面。为改进这一计算过程,给出了满足设计条件的长细比,截面高宽比的迭代计算公式,编写了相应的截面优化计算机程序。算例表明,用程序优化设计的钢压弯构件可比手算法节省钢材12%左右。     

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。     

高强钢焊接工字形截面压弯构件局部-整体相关屈曲分析北大核心CSCD

采用有限元法分析了Q460钢腹板高厚比超限(h w/t w=60,70,80,100,120)的焊接工字形截面压弯构件的极限承载力,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、构件长细比和相对偏心率对其屈曲性能的影响,提出了计算Q460钢压弯构件局部-整体相关屈曲极限承载力的修正公式。研究表明,有限元法能很好地分析腹板高厚比超限的工字形截面压弯构件非线性屈曲性能;腹板高厚比增大,极限承载力提高,腹板屈曲后强度保持能力增大,延性增大。相反,翼缘宽厚比增大,构件极限承载力减小,腹板屈曲后强度保持能力减弱,延性降低;长细比增加,构件刚度明显减小,极限承载力降低,但延性却增大;相对偏心率增大,弯曲变形起主导作用,跨中挠度急剧增加,而轴力的变化相对变缓。提出的修正公式计算结果与有限元结果吻合很好。     

Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力参数分析

为研究现有钢结构设计规范是否仍适用于高强钢中厚板焊接箱形柱的设计,对Q460钢轴心受压柱的极限承载力进行了参数分析。采用数值积分法,并与有限元程序ANSYS的数值计算结果作进行对比。数值模型考虑了1/1 000柱长的初始弯曲及由相应截面尺寸残余应力试验提出的残余应力分布简化模型。试件的主要参数为截面宽厚比（7.8~17.2）与柱长细比（10~130）。计算结果表明：考虑相同初始缺陷的有限单元法与数值积分法所得计算结果吻合较好;与普通强度钢柱相比,初始几何缺陷对高强钢焊接箱形柱的极限承载力影响降低,柱的稳定系数提高;残余应力降低柱的稳定系数,但其影响效应随长细比变化。参数分析结果与现有规范计算结果对比表明,中厚板Q460高强钢焊接箱形柱,当宽厚比b/t≤20时,可采用高于普通强度钢柱的b类柱子曲线。     

Q460高强度钢材焊接H形截面弱轴压弯柱承载力试验研究

为了研究高强度钢材中厚板焊接H形截面压弯柱的承载力,采用国产Q460高强度钢材11 mm、21 mm中厚板制作了6个焊接H形截面压弯柱,试件截面自由外伸翼缘板宽厚比分别为7、5、3,长细比分别为40、55、80。通过对Q460低合金高强度钢材的材性测试、3种焊接截面残余应力测试、各试件初始几何缺陷测量及承载力试验,进行了H形截面弱轴压弯构件整体失稳承载力的试验研究,并与采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行计算的承载力对比;同时以理想弹塑性模型,综合考虑试件初始缺陷建立有限元模型,分析计算其承载力。试验及分析结果表明：Q460低合金高强度钢材具有强度高、塑性性能较好等特点;由实测截面残余应力值得到其分布形式与普通钢材焊接H形截面残余应力分布基本相同;高强度钢材焊接H形截面压弯构件承载力试验值明显高于GB 50017-2003设计公式计算值;文中采用的有限元分析方法可以较准确地计算试件的承载力。研究成果为高强度钢材在实际工程中的应用提供试验参考。     

双向受弯型钢梁设计技巧

分析了现采用的双向受弯工字型钢梁设计方法的不足,通过研究双向受弯工字型钢梁的受力,提出了一种简单实用的设计双向受弯工字型钢梁的方法,以推广双向受弯型钢梁。     

Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性能研究

为研究高强度钢材轴心受压钢柱的整体稳定性能,对5个国产Q460钢材焊接箱形截面柱进行了轴心受压试验研究。试验对试件的几何初弯曲、荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。基于试验结果,分析了该类钢柱的失稳破坏形态和整体稳定承载力,建立了有限元分析模型并对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：试件破坏模态均为整体弯曲失稳形态,大部分试件稳定承载力高于规范设计值;有限元分析模型能够准确地考虑几何初始缺陷和残余应力的影响,计算结果与试验结果吻合良好;通过与国内外钢结构设计规范的对比,提出了国产Q460高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定设计的建议方法,即可以统一采用我国或欧洲规范的b类曲线进行设计,而不需要按板件宽厚比大小进行分类。     

Q460高强钢焊接箱形压弯构件极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接箱形压弯构件的整体失稳极限承载力,采用11mm厚国产Q460高强钢中厚板制作7个焊接箱形压弯试件,试件截面宽厚比分别为18、12、8,长细比分别为35、55、80。试验内容包括:Q460低合金高强钢的材性试验,三种焊接截面残余应力测试,各试件初始几何缺陷测量及极限承载力试验,从而进行了面内整体失稳压弯构件的极限承载力试验研究;并且把试验结果与我国现行钢结构设计规范计算值相比较。试验研究结果表明:Q460低合金高强钢材性具有高强度,塑性性能良好等特点;Q460高强钢焊接箱形截面残余应力分布形式与普通钢材箱形焊接截面分布基本相同,但是残余应力比降低;压弯构件极限承载力试验结果明显高于现行钢结构规范设计公式计算值,所以应对Q460高强钢焊接箱形压弯构件进行近一步参数分析研究,并得出其实用设计方法。     

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。     

轴力与双向弯矩作用下方钢管焊接球节点的承载力与实用计算方法研究

国家游泳中心“水立方”结构中采用了连接方钢管、且承受轴力与弯矩共同作用的焊接空心球节点。文献[1]系统研究了方钢管焊接球节点在轴力与单向弯矩作用下的承载能力并建立了实用计算方法。本文进一步对轴力与双向弯矩作用下的这类节点进行深入研究。对轴力与双向等弯矩共同作用的节点,通过有限元分析、试验研究以及简化理论解三条途径,系统研究其受力性能,并提出节点承载力的实用计算方法。而对双向任意弯矩作用的情况,提出了对单向弯矩及双向等弯矩两种情况进行线性插值的简化计算方法。     

Effective flexural stiffness of slender reinforced concrete columns under axial forces and biaxial bending

Most of the design codes (ACI-318-2008 and Euro Code-2-2004) propose the moment magnifier method in order to take into account the second order effect to design slender reinforced concrete columns. The accuracy of this method depends on the effective flexural stiffness of the column. This paper proposes a new equation to obtain the effective stiffness EI of slender reinforced concrete columns. The expression is valid for any shape of cross-section, subjected to combined axial loads and biaxial bending, both for short-time and sustained loads, normal and high strength concretes, but it is only suitable for columns with equal effective buckling lengths in the two principal bending planes. The new equation extends the proposed EI equation in the “Biaxial bending moment magnifier method” by Bonet et al. (2004) [6], which is valid only for rectangular sections. The method was compared with 613 experimental tests from the literature and a good degree of accuracy was obtained. It was also compared with the design codes ACI-318 (08) and EC-2 (2004) improving the precision. The method is capable to verify and design with sufficient accuracy slender reinforced concrete columns in practical engineering design applications.     

Elastic distortional buckling of doubly symmetric steel I-section beams with slender webs

Doubly symmetric steel I-section members with thin webs and stocky flanges have a tendency to buckle in a so-called distortional buckling mode, involving distortion of the web of the I-section in the plane of its cross-section. As this mode is more complicated than the local or global buckling, analytical expressions take empirical forms and vary in between different proposals. This paper has two main objectives. The first objective is to propose a complex finite strip method for distortional buckling analysis of I-section beams with slender webs and check the suitability for such analysis by comparing its accuracy with other methods and the second objective is to propose a simple method for predicting the distortional buckling loads of I-beams. The latter objective is superior to current methods with respect to the weight of the sections.