复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩研究

基于由完备的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲总势能方程推导的平衡微分方程,采用Galerkin法推导了考虑横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式,建立了等效弯矩系数的计算理论。依据等效弯矩系数的计算理论确定了7种常见工况的等效弯矩系数理论计算式并给出了6种特殊工况的Cb实用计算式,从Cb计算式的计算精度、适用范围和形式三个方面对国内外文献的Cb计算式进行对比,验证了等效弯矩系数理论的正确性并提出了Cb计算式的选用准则,最后通过2个数值算例验证了复合荷载作用下钢梁临界弯矩Mcr计算式的正确性和Cb计算式选用准则的合理性。结果表明：考虑了横向荷载作用点高度和横截面不对称参数的复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲临界弯矩的计算式形式简单、物理意义明确且便于计算;Cb实用计算式的适用范围广且精度高;等效弯矩系数的选用准则合理、有效。     

复合荷载作用下简支钢梁弹性弯扭屈曲研究

为建立复合荷载作用下简支钢梁弹性弯扭屈曲的设计理论,提出不同类型、不同作用点的横向荷载和不等端弯矩共同作用下的弯扭屈曲总势能方程。采用Rayleigh-Ritz法推导复合荷载作用下临界弯矩M_cr的通用计算式及系数（参数）C₁′、C₂′a、C₃′的计算式,并得到复合荷载作用的C₁′、C₂′a、C₃′与单一荷载作用的系数C₁、C₂、C₃的关系。采用Rayleigh-Ritz法推导临界荷载的通用计算式,并通过数值算例验证其正确性,最后分析钢梁自重对弯扭屈曲临界荷载的影响。研究表明：复合荷载作用下的临界弯矩Mcr通用计算式可完全采用单一荷载作用下的M_cr通用计算式表示;钢梁自重对其弯扭屈曲临界荷载的影响较小,计算中可忽略不计。     

基于轴压构件稳定系数的简支钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法

为了解决现行设计标准中钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法在适用范围和计算精度上存在的问题,提出了基于理想轴压构件整体屈曲临界荷载的理想钢梁弹性弯扭屈曲临界弯矩计算式,并进一步提出了基于轴压构件稳定系数的简支钢梁弯扭屈曲极限弯矩计算方法。采用124个热轧H型钢梁试件、80个焊接梁试件、2个薄腹梁试件共计206个钢梁试件弯扭屈曲极限弯矩的试验结果,检验了方法的适用范围及计算精度,并与GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的方法进行了对比。研究表明：对于206个钢梁试件,基于轴压构件稳定系数的计算方法较GB 50017—2017方法的适用范围更广,且与已有文献的计算精度相当;对于7个单轴对称工字形截面焊接高强钢梁试件,基于轴压构件稳定系数的计算方法略偏安全且精度高,而GB 50017—2017中的方法偏不安全;对于44个荷载工况不包含在GB 50017—2017中的钢梁试件,建议方法所得极限弯矩计算值与实测值之比的均值、标准差分别为0.908、0.125,精度较高且偏于安全。     

复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲的临界弯矩： (Ⅰ)理论研究

边界约束条件是影响钢梁弯扭屈曲临界弯矩的重要因素之一,但当前复合荷载作用下钢梁临界弯矩的研究仅为平面内、外均简支的情况。本文基于完备的总势能方程,采用Euler微分方程推导了完备的钢构件弯扭屈曲平衡微分方程组,进而简化得到钢梁弯扭屈曲侧移与扭转角独立及耦合时的平衡微分方程。分别采用Galerkin法、Rayleigh-Ritz法求解平衡微分方程(组)、总势能方程,得到了复合荷载作用下钢梁临界弯矩Mcr的计算式、双重求和形式的复合弯矩系数计算式以及单一荷载作用下的Mcr三系数(C1,i、C2,i、C3,i)通式,揭示了单一荷载两两共同作用时相关系数C1,ij的互等性和统一性特征,得到了平面外不同边界约束条件下比值C2,i/C1,i和C3,i/C1,i的关系,对影响Mcr三系数数值的因素进行了分析。研究表明：钢梁临界弯矩Mcr的计算式、复合弯矩系数Cb计算式以及Mcr的三系数通式适用于平面外4种不同边界约束条件的简支钢梁和固支钢梁;三系数形式的临界弯矩Mcr的计算式是基于扭转角试函数的基函数取1项得到的,系数C1,i的精度仅受侧移与扭转角是否耦合的影响,比值C2,i/C1,i和C3,i/C1,i不受侧移与扭转角是否耦合的影响,与采用Galerkin法还是Rayleigh-Ritz法无关。     

基于等效刚度的蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载计算方法

蜂窝梁是在梁腹板上开有连续规则孔洞的一种钢梁,腹板开孔后对其抗侧刚度有较大的削弱,因此整体稳定性能是蜂窝梁的重要问题。基于能量法推导出实腹梁弯扭屈曲临界荷载的计算式,采用等效刚度的方法,通过等效侧向抗弯刚度、等效翘曲刚度和等效扭转刚度推导了蜂窝梁的弯扭屈曲临界荷载的计算式。其次,考虑蜂窝梁截面尺寸、跨度、开孔率和距高比的影响,采用有限元方法对圆形孔和六边形孔蜂窝梁的弯扭屈曲进行了分析,得到了蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载的变化规律,并验证了蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载计算式的正确性,可为蜂窝梁的整体稳定设计提供参考。     

复合荷载作用下钢梁弯扭屈曲的临界弯矩: (Ⅱ)系数计算及数值算例

基于平面外4种边界约束条件简支钢梁在满跨均布荷载、跨中对称集中荷载和端弯矩作用下,以及平面外4种边界约束条件固支钢梁在满跨均布荷载、跨中对称集中荷载作用下的Mcr三系数(C1,i、C2,i、C3,i)计算式,计算了典型单一荷载工况的Mcr三系数数值,给出了横向荷载与端弯矩共同作用简支钢梁以及横向荷载两两共同作用固支钢梁的复合弯矩系数Cb计算式,通过数值算例验证了本文Mcr三系数和复合弯矩系数计算式的精度。最后对比了本文的Mcr三系数数值与EN 1999 1 1: 2007和ENV 1993 1 1: 1992中单一荷载的Mcr三系数数值,校验了“4M”等效弯矩系数计算式对简支钢梁、固支钢梁的适用性。结果表明：对于除平面外边界约束条件为R R(平面外两端简支且约束转动)外的单轴或双轴对称截面简支钢梁以及双轴对称截面固支钢梁,单一荷载的Mcr三系数的数值或计算式以及复合弯矩系数计算式均具有较高精度;EN 1999 1 1: 2007和ENV 1993 1 1: 1992中部分工况的C2,i和C3,i不精确;现有“4M”等效弯矩系数计算式仅能用于计算平面内外简支钢梁的Cb或C1,i。     

连续开孔实腹梁整体稳定性计算方法

为研究腹板开孔H型钢梁在纯弯荷载作用下的整体稳定性,采用翼缘和腹板刚度分离的方法,从理论上推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的抗侧刚度、自由扭转刚度和翘曲刚度计算方法,得到其弯扭屈曲临界弯矩表达式。利用有限元软件ABAQUS对相同截面不同跨度的H型钢实腹梁在纯弯荷载作用下的弯扭屈曲临界弯矩进行分析,并将有限元模拟结果和规范计算结果进行对比。采用经验证的有限元模型对带有连续正方形孔洞的H型钢梁进行分析,并将有限元模拟结果与推导公式的计算结果进行对比。以现有规范为基础,推导出带有连续正方形孔洞的H型钢梁的弯扭屈曲临界弯矩实用计算公式。结果表明:连续开孔梁实用计算公式具有较高的精确度。     

正六边形孔蜂窝钢梁的整体稳定研究

通过将双轴对称工字形截面的正六边形孔蜂窝梁的等效刚度代入当量实腹梁弯扭屈曲临界弯矩值的公式中,得到蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩值公式。为考虑开孔引起的剪切变形对蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载值的影响,并验证所得蜂窝梁弯扭屈曲临界荷载公式的正确性,通过与有限元软件计算同尺寸的蜂窝梁得到的弯扭屈曲临界弯矩相比较,证明了所推公式具有满足工程所需的精度。最后为方便工程应用,对蜂窝梁整体稳定性计算公式进行了改进。     

基于直接强度法的薄壁轴压构件局部屈曲临界荷载实用计算式

为建立适用于直接强度法的局部屈曲临界荷载实用计算式,分析了用于计算薄壁轴压构件局部屈曲极限荷载的直接强度法和有效宽度法所建立的依据,明确了两种方法中局部屈曲临界荷载P_(cr,L)的物理意义,并提出了P_(cr,L)的选取准则。提出了考虑板组效应的P_(cr,L)实用计算式,并通过与广义梁软件GBTUL的精确值对比,验证P_(cr,L)实用计算式的精度,证实P_(cr,L)选取准则的正确性。基于文中的P_(cr,L)实用计算式和直接强度法计算C形轴压构件的极限荷载,进一步验证了P_(cr,L)实用计算式的精度,同时与GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中公式计算结果进行对比。研究表明:采用直接强度法计算极限荷载时,应选取考虑板组效应的局部屈曲临界荷载计算式,文中的P_(cr,L)实用计算式的形式简单且具有较高的精度。     

复杂荷载作用下单向受弯简支钢梁的弹性临界弯矩

为了研究单向受弯简支钢梁的弹性弯扭屈曲理论,尤其是复杂荷载作用下的临界弯矩计算,针对端弯矩和任意集中荷载共同作用下的简支梁,首先给出了能够模拟复杂变形并满足边界条件的侧向弯曲变形函数和扭转变形函数,以及任意荷载下的构件弯矩表达式,然后采用Rayleigh-Ritz法推导出了简支梁临界弯矩及其参数的通用计算公式,临界弯矩计算公式与传统公式在形式上完全相同,便于应用。算例分析表明：该通用公式不仅适用于端弯矩、任意集中荷载、满跨均布荷载单独作用下的简支梁,也适用于端弯矩和任意集中荷载共同作用下的简支梁,具有广泛的适用性,且精度较高。     

端弯矩作用下侧向支承钢梁的临界弯矩研究

为建立端弯矩作用下等间距布置侧向支承简支钢梁临界弯矩的计算方法，取两侧向支承点之间的各梁段为简支梁，分析了各梁段的端弯矩比例系数随支承钢梁端弯矩比例系数和侧向支承数量变化而变化的特征，取支承钢梁最大端弯矩所在梁段为两端简支的计算梁段，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，揭示了纯弯工况和非纯弯工况下计算梁段与其他梁段的相关关系，得到了支承数量n=1～4时计算梁段临界弯矩系数C₁的数值和相关作用系数α的表达式，把支承钢梁临界弯矩的计算转化为计算梁段临界弯矩的计算。最后，分别采用系数C₁和α以及现行国家标准的临界弯矩计算方法计算了支承钢梁的临界弯矩，并与有限元数值进行对比，验证了系数C₁和α以及现行国标的临界弯矩计算方法的精度。研究表明，系数C₁和α在侧向支承钢梁临界弯矩的计算上具有较高的精度，而GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的β_b系数和GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的C₁系数，在纯弯工况下具有较高的精度，而非纯弯工况时...     

火灾下钢梁弯扭屈曲临界温度的计算方法

基于考虑横向荷载影响推导的钢梁整体失稳发生弯扭屈曲时临界弯矩的计算公式,引入高温下钢材的弹性模量随温度的折减系数,给出了火灾下钢梁整体失稳时临界温度的计算方法。研究表明,该方法计算结果与试验值吻合较好,满足结构抗火设计的精度要求。     

不等端弯矩作用下薄壁梁临界弯矩的计算分析

薄壁梁的弯扭屈曲分析是一个较为复杂的问题,在荷载作用下沿梁的弯矩为非均匀分布时．其屈曲方程的求解较为困难。根据梁柱杆端变形增量相关方程和改进后的CDC法,将薄壁梁的弯扭模型等效为拉弯模型,顺利的算出不等端弯矩作用下薄壁梁的临界弯矩,并提出建议公式。经计算与数值解比较,结果令人满意。     

纯弯曲蜂窝梁弯扭屈曲的有限元分析

为了研究蜂窝梁纯弯状态下的弯扭屈曲,笔者利用有限元软件ANSYS对两种不同截面的H形钢梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界弯矩进行了分析,对所得到结果与理论公式计算的结果进行了比较,结果吻合的较好,这表明所选单元及计算方法的正确性。根据这一结果,笔者认为蜂窝梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界荷载也可以采用该软件进行模拟分析。然后,对开孔率相同跨度不同以及跨度相同度开孔率不同的蜂窝梁进行了计算,并对计算结果与原型钢进行了比较分析。分析结果表明,蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩略高于原型钢钢梁,其值随着开孔率的逐渐增加而降低,但是开孔率的影响并不十分明显。     

受弯钢构件整体稳定性的计算

本文对新订《钢结构设计规范》(GB 17—88)中受弯构件(梁)的整体稳定性计算理论和方法,以及由能量法求得的侧扭屈曲的临界弯矩 M_(cr)公式作了简要讲述。分析了影响整体稳定性的因素和对有关应用问题进一步作了说明。文中对一般焊接工字形截面简支梁的整体稳定系数ψ_b 计算式的简化和规范附表1.1中各整体稳定等效弯矩系数β_b 值的确定,作了较为详细的论述;对非弹性整体稳定系数ψ′_b 与ψ_b 的关系进行了论证;并对其他截面如轧制普通工、槽钢简支梁,箱形截面简支梁和应用于压弯构件面外整体稳定性验算公式中的整体稳定系数和规定作了介绍。     

纯弯曲蜂窝梁弯扭屈曲的有限元分析

为了研究蜂窝梁纯弯状态下的弯扭屈曲，笔者利用有限元软件ANSYS对两种不同截面的H形钢梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界弯矩进行了分析，对所得到结果与理论公式计算的结果进行了比较，结果吻合的较好，这表明所选单元及计算方法的正确性。根据这一结果，笔者认为蜂窝梁在纯弯曲时的弹性弯扭屈曲临界荷载也可以采用该软件进行模拟分析。然后，对开孔率相同跨度不同以及跨度相同度开孔率不同的蜂窝梁进行了计算，并对计算结果与原型钢进行了比较分析。分析结果表明，蜂窝梁的弯扭屈曲临界弯矩略高于原型钢钢梁，其值随着开孔率的逐渐增加而降低，但是开孔率的影响并不十分明显。     

复合荷载作用下双轴对称工字形悬臂梁的弯扭屈曲分析

基于能量变分法,推导了均布荷载和端部作用集中荷载下的双轴对称工字形截面悬臂钢梁的弯扭屈曲总势能方程,其中截面弯扭屈曲变形的位移和转角分别选用一项和无穷项傅里叶级数来表达模态试函数.根据最小势能原理无量纲化后,获得复合荷载作用下悬臂钢梁无量纲的临界荷载的解析解;通过无穷级数形式解答的无量纲临界弯矩的解析解进行收敛性分析,...     

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。     

考虑侧向支撑刚度影响的蜂窝钢梁临界弯矩计算研究

钢梁可通过设置侧向支撑并控制间距避免其发生整体弯扭屈曲,支撑刚度会对钢梁的临界弯矩产生影响。利用有限元方法研究了不同侧向支撑刚度下蜂窝钢梁临界弯矩。研究结果表明,随着侧向支撑刚度的增加,蜂窝钢梁临界弯矩亦逐渐增加;但当支撑刚度达到临界支撑刚度后,随着侧向支撑刚度的增加钢梁临界弯矩不变。根据参数分析结果,提出了根据支撑间距确定临界支撑刚度的简化计算公式。     

考虑侧向支撑刚度影响的蜂窝钢梁临界弯矩计算研究

钢梁可通过设置侧向支撑并控制间距避免其发生整体弯扭屈曲,支撑刚度会对钢梁的临界弯矩产生影响。利用有限元方法研究了不同侧向支撑刚度下蜂窝钢梁临界弯矩。研究结果表明,随着侧向支撑刚度的增加,蜂窝钢梁临界弯矩亦逐渐增加;但当支撑刚度达到临界支撑刚度后,随着侧向支撑刚度的增加钢梁临界弯矩不变。根据参数分析结果,提出了根据支撑间距确定临界支撑刚度的简化计算公式。