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。     

腹板加劲冷弯薄壁复杂卷边槽钢受压构件承载力试验研究

分别对复杂卷边槽钢、腹板中间进行形加劲复杂卷边槽钢、腹板中间进行V形加劲复杂卷边槽钢3种截面形式,共计30根简支受压试件进行了承载力试验,其中轴心受压试件18根,偏心受压试件12根。研究了腹板加肋复杂卷边槽钢受压构件的承载力、破坏模式及变形等性能。试验结果表明:腹板加劲有效地减小了板件宽厚比,大幅度提高了轴心受压构件及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力,使畸变屈曲代替局部屈曲起主要控制作用。与相同用钢量下的复杂卷边槽钢构件相比,腹板中间进行形加劲可使轴心受压及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力提高约60%~70%,腹板中间进行V形加劲可使轴心受压及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力提高约40%~60%。有效形心偏移对偏压构件承载力的影响不可忽视。对试验进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合良好。     

腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合偏压构件承载力试验研究

分别对单肢为腹板开孔复杂卷边槽钢和Σ形复杂卷边槽钢的共计8根双肢拼合工字形截面偏心受压构件进行了承载力试验。研究了此类偏压构件的极限承载力及失稳模式。采用ANSYS有限元软件模拟了试验并与试验结果进行对比,验证了建模及分析过程的准确性。通过变参数分析了开孔及不同孔形对构件承载力的影响。结果表明:腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合构件(DC1截面)的最终破坏模式为局部、畸变和整体弯曲三者相关屈曲;腹板开孔Σ形复杂卷边槽钢双肢拼合构件(DC2截面)的最终破坏模式为畸变和整体弯曲相关屈曲;随着偏心距的增大,两类截面构件的破坏模式基本不变。在相同条件下,开孔会使构件的承载力明显降低,DC1截面和DC2截面开孔比不开孔构件的承载力分别下降了约4%～11%和6%～15%。在开孔高度相同时,腹板开设不同形状的孔洞对构件的承载力影响较小,但考虑到开孔位置处的应力集中问题,椭圆形孔和圆形孔比有尖角的矩形孔和正方形孔更优。     

不同截面形式冷弯薄壁槽钢构件轴心受压承载力研究

采用ABAQUS非线性有限元软件,对3种不同截面形新型截面卷边槽钢构件在轴心受压状态下的承载力进行了分析。研究了卷边槽钢轴心受压构件的屈曲模态和极限承载力等性能。结果表明:加劲形式和卷边形式是影响试件轴心受压承载力和屈曲模式的重要因素;与无加劲形式相比,采用腹板和翼缘板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比,试件轴心受压承载力提高了20.51%~56.38%。     

腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱受压性能试验研究

为研究腹板中间设置有一道纵向加劲肋的冷弯薄壁卷边槽钢柱的受压性能,对18根两端简支试件进行了静力加载试验研究。试验结果表明:荷载作用位置、端部支承条件对试件的屈曲模式及受压极限荷载影响显著;而试件长度仅对试件屈曲模式的影响显著;由于腹板纵向加劲肋的存在,冷弯薄壁卷边槽钢柱在负向偏心(轴向力作用线位于截面形心与腹板之间)压力作用下承载力较高,而在正向偏心(轴向力作用线位于截面形心与卷边之间)压力作用下承载力较低,轴心受压承载力介于前两种情况之间。通过试验结果与压弯构件解析解计算结果的对比发现,解析式对于负向偏心受压构件的计算误差较大。考虑几何非线性和材料非线性的影响,采用有限元软件ANSYS对试件进行了数值模拟分析,分析结果表明,采用数值模拟方法可以很好地预测试件的承载力和屈曲行为。     

腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱畸变屈曲承载力分析

为了解腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱的受压性能,对12根开孔和未开孔中长柱进行了轴心受压试验研究。结果表明,所有试件均发生畸变屈曲失效,同时在峰值荷载时有绕弱轴的整体弯曲产生;孔洞的出现导致屈曲模态和屈曲半波数发生变化。最后,在试验和国外规范关于直接强度法计算理论的基础上,提出了一种适用于开孔和未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢中长柱畸变屈曲承载力的计算方法。采用该建议方法计算所得结果与试验值和参数分析值吻合较好,安全可靠。     

翼缘V形加劲G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲性能试验及数值模拟

为了研究翼缘V形加劲对高强冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲模式和承载力的影响,分别对翼缘无V形加劲、翼缘偏腹板一侧V形加劲、翼缘中间V形加劲以及翼缘偏卷边一侧V形加劲等4种截面形式的8组G550高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行了静力试验研究。结果表明,翼缘V形加劲试件相比翼缘无V形加劲试件的受弯承载力提高了28%～53%,且翼缘V形加劲导致试件的畸变屈曲问题突显;翼缘V形加劲位置对试件的屈曲模式和受弯承载力有重要影响,且与卷边宽度有关。短卷边试件表现为畸变屈曲,其中翼缘中间V形加劲试件的受弯承载力最大;长卷边试件表现为局部与畸变的相关屈曲,其中翼缘偏腹板一侧V形加劲试件的受弯承载力最大,但较翼缘中间V形加劲试件的受弯承载力提高了不到1%;综合考虑,翼缘中间V形加劲对提高试件受弯承载力效果最好。对试验进行了有限元模拟,试验结果与有限元模拟结果吻合良好。     

腹板加劲冷弯薄壁型钢立柱组合墙体轴压性能试验研究

为研究截面形式、腹板开孔和面板材料等因素对组合墙体轴压性能的影响,对墙柱形式为复杂卷边槽钢(S1截面)、腹板V形加劲复杂卷边槽钢(S2截面)和Σ形复杂卷边槽钢(S3截面),覆面板为定向刨花板(OSB)和石膏板的10片冷弯薄壁型钢立柱组合墙体进行了轴压性能试验。试验结果表明,S1截面、S2截面、S3截面的组合墙体上覆OSB板或石膏板时承载力之比分别为1∶1.36∶1.50和1∶1.34∶1.60;腹板加劲墙柱的主要失稳模式为畸变屈曲;与相同条件下无孔立柱组合墙体相比,腹板加劲有孔立柱组合墙体承载力下降约12.0%,非加劲墙体承载力下降1.6%。基于单根轴压构件的直接强度法开展了考虑墙板约束作用的组合墙体(有孔和无孔)轴压承载力计算方法研究,计算值与试验值的对比分析表明：以现有直接强度法为基础提出的墙体承载力计算方法对腹板非加劲立柱组合墙体的承载力预测较为准确,对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测偏不安全;考虑局部与畸变相关屈曲作用提出的承载力计算方法对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测值与试验值吻合良好。     

冷弯薄壁卷边槽钢偏心受压构件承载力计算的折减强度法

为了研究冷弯薄壁卷边槽钢偏心受压构件的极限承载力,对13根偏心受压的冷弯薄壁卷边槽钢进行了破坏性试验,并建立有限元分析方法对试件进行模拟分析,有限元分析结果与试验结果吻合良好,验证了有限元方法的有效性;对典型截面构件进行大量的参数分析,研究截面尺寸、长细比、荷载作用点位置及材料特性等因素对卷边槽钢偏心受压构件极限承载力...     

腹板加劲冷弯薄壁型钢立柱组合墙体轴压性能试验研究

为研究截面形式、腹板开孔和面板材料等因素对组合墙体轴压性能的影响,对墙柱形式为复杂卷边槽钢(S1截面)、腹板V形加劲复杂卷边槽钢(S2截面)和Σ形复杂卷边槽钢(S3截面),覆面板为定向刨花板(OSB)和石膏板的10片冷弯薄壁型钢立柱组合墙体进行了轴压性能试验。试验结果表明,S1截面、S2截面、S3截面的组合墙体上覆OSB板或石膏板时承载力之比分别为1∶1.36∶1.50和1∶1.34∶1.60;腹板加劲墙柱的主要失稳模式为畸变屈曲;与相同条件下无孔立柱组合墙体相比,腹板加劲有孔立柱组合墙体承载力下降约12.0%,非加劲墙体承载力下降1.6%。基于单根轴压构件的直接强度法开展了考虑墙板约束作用的组合墙体(有孔和无孔)轴压承载力计算方法研究,计算值与试验值的对比分析表明:以现有直接强度法为基础提出的墙体承载力计算方法对腹板非加劲立柱组合墙体的承载力预测较为准确,对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测偏不安全;考虑局部与畸变相关屈曲作用提出的承载力计算方法对腹板加劲立柱组合墙体承载力的预测值与试验值吻合良好。     

冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件承载力计算的折减强度法

为了研究冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件的极限承载力,对15根轴心受压的冷弯薄壁卷边槽钢进行了破坏性试验,并采用有限元分析方法对试件进行模拟分析,有限元计算结果与试验结果吻合良好,验证了有限元方法的有效性,然后对典型截面构件进行大量的有限元参数分析。研究结果表明：冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件的极限承载力随着构件翼缘宽厚比、腹板高厚比、长细比以及钢材强度的增大而减小。通过参数分析得到了考虑局部屈曲、整体屈曲和畸变屈曲影响的构件屈服强度折减系数,提出了冷弯薄壁卷边槽钢轴心受压构件承载力计算的折减强度法及其相应计算公式,且通过试验验证了本文折减强度法计算卷边槽钢轴心受压构件极限承载力的适用性。     

冷弯薄壁拼合Ⅰ形截面构件腹板压屈性能研究

腹板无加劲肋的冷弯薄壁型钢构件在横向集中荷载或反力作用时极易发生压屈失效。对24个由自攻自钻螺钉连接的冷弯薄壁型钢双肢拼合Ⅰ形截面构件在跨中双翼缘(ITF)荷载条件下的腹板压屈性能进行试验研究。结果表明:C形槽钢拼合试件比Ⅰ形槽钢拼合试件的承载力更高、延性更好;腹板中线上布置的自攻螺钉是引起试件整体性能削弱的主导因素。     

双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯性能研究

对6个单肢冷弯薄壁型钢C形截面梁和18个双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁进行了受弯性能试验研究 ,考察梁跨高比、翼缘宽厚比、截面高宽比、螺钉连接间距以及腹板开孔对双肢拼合工字形截面梁破坏模式和极 限受弯承载力的影响,验证双肢拼合截面梁受弯承载力具有“1×2≥2”的拼合效应,并采用ANSYS有限元软件进 行数值模拟与影响因素分析。结果表明：试件的破坏模式为翼缘及腹板局部屈曲和畸变屈曲的相关屈曲形式。改 变翼缘宽厚比和截面高宽比对双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁的承载力影响最大,而改变螺钉连接间距 （300~600mm范围内）和梁跨高比对工字形梁的承载力影响较小。在实际工程设计中,建议腹板开孔采用圆形孔 洞形式,腹板开孔截面积比例取为35%~50%之间,同时腹板开孔间距应不小于400mm。在双肢拼合工字梁受弯承载 力折减强度法的基础上,提出了适用于腹板开孔双肢拼合冷弯薄壁型钢工字形截面梁受弯承载力计算的强度折减 修正法。     

激光焊接不锈钢工字形截面中长柱受力性能研究

为研究激光焊接奥氏体不锈钢工字形截面轴心受压中长柱的承载性能,对10根激光焊接不锈钢工字形薄柔截面中长柱进行轴心受压试验研究,结果表明,中长柱的破坏模式均为板件局部屈曲与构件整体弯曲屈曲的相关失稳。同时,基于残余应力试验,验证了已有激光焊接不锈钢工字形截面的残余应力分布模型。基于试验结果验证了有限元模型,对激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压中长柱开展参数分析,研究了几何初始缺陷和残余应力对中长柱稳定承载力的影响,结果表明,残余应力是影响中长柱稳定承载力的主要因素。结合试验和有限元计算结果,对CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》中轴心受压构件稳定承载力设计公式的适用性进行评估,并考虑残余应力的影响修正了轴心受压构件整体稳定设计公式的计算系数。采用修正后计算系数的规范公式能准确计算激光焊接不锈钢工字形截面轴心受压构件的稳定承载力。     

双肢冷弯薄壁型钢拼合箱形柱受压试验研究与有限元分析

通过30根由双肢C形和[形冷弯薄壁型钢拼合箱形柱的轴压和偏压试验,得到了试件的荷载-位移曲线和最大荷载,并分析了其屈曲模式和破坏特征。采用ABAQUS程序对拼合截面柱受压性能进行了有限元分析,分析参数主要包括长细比、腹板高厚比、截面高宽比、偏心距与偏心方向等。结果表明:轴压中、长柱系列试件的破坏模式为绕弱轴整体弯曲破坏,轴压短柱系列试件为局部屈曲变形过大而导致的塑性折曲,绕强轴和绕弱轴的偏压试件最终分别为整体弯扭屈曲和整体弯曲破坏;试件的最大轴压荷载及刚度均随着试件长细比的增大而逐渐减小;试件最大轴压荷载随腹板高厚比的增大而减小;试件的截面高宽比较大,绕两个主轴的长细比会相差较大,通过增加翼缘宽度以增大拼合柱绕强轴和弱轴的稳定性,显著提高其最大荷载;偏压拼合柱的最大荷载随着偏心距的增加而降低。     

双肢“弓”形高强冷弯薄壁型钢拼合柱受压性能研究

采用有限元软件Abaqus对双肢"弓"形高强冷弯薄壁型钢拼合柱的受压性能进行了研究,分析了试件破坏模式以及长细比、自攻螺钉间距、腹板等效高厚比、偏心方向和偏心距对试件最大承载力的影响。结果表明:轴向受压试件和绕弱轴偏心受压试件,发生绕弱轴整体弯曲屈曲破坏;绕强轴偏心受压试件为局部屈曲或弯扭屈曲破坏;试件最大承载力和刚度随长细比、偏心距和腹板有效高厚比的增加而减小;当螺钉间距在100～300mm之间变化时,试件的最大承载力变化幅度在5.88%以内。依据《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018—2002),计算得到最大承载力P_G并与有限元值P_A进行对比,结果表明:规范计算结果均较保守。对于轴压试件,P_G与P_A的差距随长细比的增大而减少。对于偏压试件,在相同长细比和偏心距的情况下,绕强轴偏压试件的P_G与P_A的差距比绕弱轴偏压试件更大。     

冷弯薄壁型钢双肢拼合构件轴压承载力研究

目前我国相关规范对冷弯薄壁型钢组合截面构件的承载力设计方法比较粗略。基于已有的卷边槽形截面构件和由其组成的组合箱形截面构件的轴心受压承载力试验研究结果,通过有限元模拟和理论分析研究了此类构件拼合前后的受力性能的差异。分析了安装误差和连接件间距对拼合构件承载力的影响。提出了针对组合箱形和工字形截面构件的轴心受压承载力设计方法。研究表明,组合箱形截面构件的整体屈曲和畸变屈曲承载力较单肢截面构件有一定提高,而组合工字形截面构件仅整体屈曲承载力有一定提高。设计承载力与试验结果的比较表明,所提出的建议设计方法基本合理,可为相关规范的编制提供参考。     

中间加劲复杂卷边槽钢纯弯构件弹性畸变屈曲应力计算方法研究

为了研究中间加劲复杂卷边槽钢纯弯构件弹性畸变屈曲应力简化计算方法,采用有限条分析软件CUFSM对不同参数的复杂卷边槽钢、∑形复杂卷边槽钢以及腹板V形加劲复杂卷边槽钢各70个构件的畸变屈曲应力进行数值分析.在此基础上,借鉴现有板件局部屈曲应力的表达方式,引入畸变屈曲系数,经拟合分析提出上述构件畸变屈曲应力的简化计算公式,并将复杂卷边槽钢和腹板V形加劲复杂卷边槽钢的公式进行合并,对公式的有效性进行验证.     

冷弯薄壁卷边槽钢绕弱轴偏心受压构件承载力试验研究

为研究C型冷弯薄壁型钢压弯构件稳定性能,特别是其畸变屈曲性能,设计了38个冷弯薄壁卷边槽钢(C型钢)绕弱轴偏心受压短柱和中长柱试件,对其进行承载力试验,分析其破坏模式、极限承载力和变形性能。研究结果表明:正偏心受压试件的破坏主要由畸变屈曲模式控制,而典型的负偏心受压试件的破坏则主要受局部屈曲控制。对于中长柱试件,破坏还包含与整体屈曲的相关屈曲特征。正偏心受压试件承载力随腹板高厚比的增加而提高,而负偏心受压试件则呈现相反的规律。将试验结果和其他已有的试验研究数据与按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和北美(加拿大)规范S 136-12计算的试件承载力进行了对比,结果表明:对于负偏心受压构件,当应力不均匀系数ζ(截面上最小应力与最大应力的比值)趋于0并偏向负值(偏心距较大)时,随着ζ的减小,GB 50018—2002计算值与试验值的误差呈现逐渐增大的趋势,明显偏于不安全,当ζ≥-1.6时,按S 136-12对构件承载力的预估偏于安全;对于正偏心受压构件,当ζ≥-0.2时,GB 50018—2002和S 136-12对构件承载力的预估在多数情况下偏于保守,但其计算值离散性较大。     

不同截面形式高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力试验研究

对36个屈服强度为550 MPa的高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行静力试验研究,考虑了加劲形式和卷边形式对试件受弯性能的影响,其中加劲形式分为无加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘及腹板中间V形加劲3种,卷边形式分为直卷边、斜卷边和复杂卷边3种。试验结果表明：加劲形式和卷边形式是影响试件受弯承载力和屈曲模式的重要因素;与无加劲形式相比,采用板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比,试件受弯承载力提高了30%~70%;同种加劲形式下,短（直、斜）卷边试件受弯承载力提高幅度最大,复杂卷边试件提高幅度次之,长（直、斜）卷边试件提高幅度最小;试验过程中试件发生了局部屈曲、畸变屈曲与局部和畸变相关屈曲。对试验进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。