冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱有效寬度法和直接強(qiáng)度法計(jì)算對(duì)比

冷彎薄壁卷邊槽鋼檁條的有效截面分析

為了解腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼構(gòu)件的受壓性能,對(duì)8根短柱和中長柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)之前首先用有限條和有限元方法對(duì)柱試件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì),以確保發(fā)生畸變屈曲失效。柱受壓試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):所有試件均發(fā)生畸變屈曲失效破壞,同時(shí)在峰值荷載時(shí)中長柱試件有繞弱軸的彎曲產(chǎn)生,畸變屈曲和局部屈曲一樣也有一定的屈曲后強(qiáng)度。在總結(jié)分析現(xiàn)有國內(nèi)外規(guī)范計(jì)算理論的基礎(chǔ)上,提出了基于直接強(qiáng)度法設(shè)計(jì)腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓構(gòu)件畸變屈曲承載力的計(jì)算方法。采用該建議方法計(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)值和參數(shù)分析值吻合較好,其設(shè)計(jì)過程簡便且安全可靠。

通過計(jì)算得到了適合各種彎起角度的斜卷邊槽形截面特性計(jì)算公式,方便了手算求解構(gòu)件的屈曲應(yīng)力。采用直接強(qiáng)度計(jì)算法對(duì)斜卷邊槽鋼軸壓固支柱的穩(wěn)定承載力及破壞模式進(jìn)行了分析,并與已有的試驗(yàn)資料進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:直接強(qiáng)度法可以有效地預(yù)測斜卷邊槽鋼軸壓固支構(gòu)件的穩(wěn)定承載力,從而說明了建立在簡支試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,經(jīng)回歸得到的直接強(qiáng)度法同樣適用于固支柱穩(wěn)定承載力的計(jì)算。

研究了高強(qiáng)冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在高溫下的性能和承載力計(jì)算。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了高強(qiáng)冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的有限元模型,模型考慮了局部和整體初始缺陷的影響;利用高強(qiáng)度冷彎薄壁鋼材的高溫材料性能試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了高強(qiáng)冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在均勻溫度和非均勻溫度分布下的性能研究;基于《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》提出了均勻高溫下的承載力計(jì)算公式,基于直接強(qiáng)度法提出了非均勻高溫下的承載力計(jì)算公式。

隨著高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼在建筑業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用,使得構(gòu)件畸變屈曲的出現(xiàn)可能先于板件的局部屈曲,成為構(gòu)件失效控制模式?；兦钠茐臋C(jī)理不同于局部屈曲,其彈性屈曲應(yīng)力計(jì)算過程也大相徑庭。現(xiàn)有畸變屈曲臨界應(yīng)力的計(jì)算公式異常復(fù)雜,在設(shè)計(jì)中可以借助數(shù)值分析的方法進(jìn)行計(jì)算。有限條方法和有限元方法是常用的兩種數(shù)值分析方法,采用有限條方法和有限元方法計(jì)算了冷彎薄壁型鋼柱構(gòu)件彈性畸變屈曲應(yīng)力和屈曲半波長度,對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果非常接近,均可用于分析柱試件的彈性畸變屈曲。

對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力進(jìn)行了穩(wěn)定承載力計(jì)算,結(jié)果表明:直接強(qiáng)度法可以有效地預(yù)測冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱的穩(wěn)定承載力,與gb50018-2002中的有效寬度法計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合良好且偏于安全。

采用有效寬度法和直接強(qiáng)度法分別對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載能力進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,對(duì)加設(shè)隔板這種加固方式的試驗(yàn)效果進(jìn)行比較分析,結(jié)果表明:當(dāng)采用矩形隔板,在1/2～1/3半波間距布置隔板時(shí),為經(jīng)濟(jì)有效的布置方式。

采用有限元軟件abaqus對(duì)兩端固接的冷彎薄壁槽鋼柱的屈曲性能進(jìn)行研究分析,探討卷邊形式、卷邊高度和壁厚對(duì)槽鋼軸壓柱的屈曲荷載和屈曲模式的影響,從而確定當(dāng)構(gòu)件截面面積不變時(shí)對(duì)抵抗屈曲最有利的卷邊形式。

為了研究冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件的極限承載力,對(duì)13根偏心受壓的冷彎薄壁卷邊槽鋼進(jìn)行了破壞性試驗(yàn),并建立有限元分析方法對(duì)試件進(jìn)行模擬分析,有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了有限元方法的有效性;對(duì)典型截面構(gòu)件進(jìn)行大量的參數(shù)分析,研究截面尺寸、長細(xì)比、荷載作用點(diǎn)位置及材料特性等因素對(duì)卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力的影響,提出了冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力計(jì)算的折減強(qiáng)度法及其相應(yīng)計(jì)算表。結(jié)果表明:利用提出的折減強(qiáng)度法計(jì)算卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力具有一定的適用性。

在分析比較有效寬度法(ewm)和直接強(qiáng)度法(dsm)的基礎(chǔ)上,針對(duì)q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的極限承載力進(jìn)行了較深入的探討和對(duì)比分析。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明:按冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(gb50018-2002)計(jì)算槽鋼柱是可行的。

畸變屈曲是冷彎型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的重要屈曲模式之一,正逐步受到人們的重視。傳統(tǒng)的有效寬度法難以解決畸變屈曲計(jì)算問題,在新近提出的直接強(qiáng)度法中,彈性畸變屈曲應(yīng)力fod的求解是畸變屈曲計(jì)算的關(guān)鍵。利用現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù),針對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱,分析了截面各種幾何參數(shù)對(duì)畸變屈曲應(yīng)力fod的影響,在此基礎(chǔ)上擬合得到了fod的計(jì)算式,從而提出可用于直接強(qiáng)度法的卷邊槽形冷彎薄壁型鋼柱彈性畸變屈曲實(shí)用計(jì)算式。該式不僅簡單實(shí)用、物理意義明確,而且具有較高工程精度,既擺脫了對(duì)專用計(jì)算程序的依賴,又避免了繁瑣的計(jì)算。

冷彎薄壁卷邊槽鋼在受力過程中除可能出現(xiàn)整體屈曲和局部屈曲外,還可能出現(xiàn)畸變屈曲。發(fā)生畸變屈曲會(huì)惡化構(gòu)件的受力性能,從而降低構(gòu)件的極限承載力。比較研究了5個(gè)國家或地區(qū)規(guī)范針對(duì)畸變屈曲的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,并對(duì)最新的畸變屈曲承載力計(jì)算方法研究成果進(jìn)行歸納,最后就既有的5種考慮畸變屈曲的承載力計(jì)算方法與有關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:北美規(guī)范采用的直接強(qiáng)度法適用范圍廣且精度相對(duì)較高。

畸變屈曲是冷彎薄壁卷邊槽鋼的一種重要屈曲模式,彈性畸變屈曲臨界應(yīng)力是目前一些主要規(guī)范計(jì)算畸變屈曲的關(guān)鍵。該文首先推導(dǎo)出畸變屈曲模式下,構(gòu)件縱向翹曲位移的顯式計(jì)算公式,從而簡化計(jì)算過程;然后基于經(jīng)典的薄板理論,計(jì)算平面內(nèi)位移,確定構(gòu)件平面內(nèi)的變形,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上得到斜卷邊冷彎薄壁槽鋼軸壓柱彈性畸變屈曲計(jì)算公式;最后與有限條法、近似模型計(jì)算法進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了該文計(jì)算方法的正確和有效性。該文中的彈性畸變屈曲計(jì)算公式簡單,便于手算,可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

文中對(duì)應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法進(jìn)行了介紹,同時(shí)給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果,利用介紹的直接強(qiáng)度法計(jì)算了試驗(yàn)構(gòu)件的極限承載力。計(jì)算結(jié)果表明：應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法計(jì)算構(gòu)件承載力與試驗(yàn)值比較吻合,且有一定的安全度。應(yīng)用于單孔軸壓構(gòu)件極限承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法同樣適用于腹板開多孔構(gòu)件極限承載力的計(jì)算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)。

文中對(duì)應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法進(jìn)行了介紹,同時(shí)給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果,利用介紹的直接強(qiáng)度法計(jì)算了試驗(yàn)構(gòu)件的極限承載力。計(jì)算結(jié)果表明:應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法計(jì)算構(gòu)件承載力與試驗(yàn)值比較吻合,且有一定的安全度。應(yīng)用于單孔軸壓構(gòu)件極限承載力計(jì)算的直接強(qiáng)度法同樣適用于腹板開多孔構(gòu)件極限承載力的計(jì)算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構(gòu)件的工程設(shè)計(jì)。

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為研究復(fù)雜卷邊槽鋼軸壓固支構(gòu)件的穩(wěn)定性能,選取不同的翼緣寬厚比、截面形式、構(gòu)件長度、卷邊長度等幾何參數(shù),對(duì)共計(jì)292個(gè)構(gòu)件進(jìn)行非線性有限元分析,研究上述參數(shù)對(duì)復(fù)雜卷邊槽鋼固支構(gòu)件穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明:固支構(gòu)件較易發(fā)生畸變屈曲,翼緣寬厚比較大時(shí),構(gòu)件的整體失穩(wěn)模式多為彎扭屈曲。構(gòu)件的極限承載力隨著翼緣寬厚比、構(gòu)件長細(xì)比的增大而減小,卷邊對(duì)構(gòu)件承載效率的影響隨翼緣寬厚比的不同而呈現(xiàn)兩種不同的規(guī)律。

現(xiàn)行國家規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(gb50018-2002)提出了適用于各種型鋼構(gòu)件板組的約束系數(shù)統(tǒng)一計(jì)算公式。針對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼純彎構(gòu)件畸變屈曲運(yùn)用直接強(qiáng)度法計(jì)算受壓翼緣板組約束系數(shù),并與規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較,得到一些有價(jià)值的結(jié)論,供設(shè)計(jì)研究參考。

在分析比較有效寬度法(ewm)和直接強(qiáng)度法(dsm)的基礎(chǔ)上,以1mm厚q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱為例,對(duì)其極限承載力進(jìn)行了較深入的探討和對(duì)比分析,計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明:按gb50018-2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范計(jì)算槽鋼柱是可行的。

現(xiàn)行國家規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(gb50018-2002)提出適用于各種型鋼構(gòu)件板組的約束系數(shù)統(tǒng)一計(jì)算公式。針對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼純彎構(gòu)件畸變屈曲運(yùn)用直接強(qiáng)度法計(jì)算受壓翼緣板組約束系數(shù),并與gb50018-2002計(jì)算結(jié)果比較,得到一些有價(jià)值的結(jié)論,供設(shè)計(jì)研究參考。

05SG521-4鋼檁條鋼墻梁（冷彎薄壁卷邊槽鋼、高頻焊接薄壁H型鋼墻梁）