薄壁异形铝合金轴压构件畸变屈曲性能试验研究

进行了6个薄壁异形截面铝合金短柱轴压作用下畸变屈曲性能的试验研究。采用LVDT测量了试件的局部几何初始缺陷,得到了该类构件局部几何初始缺陷的形状和幅值。进行了4组铝合金试样的拉伸试验,得到了6063-T5铝合金的本构关系。在薄壁异形截面铝合金短柱的轴压试验中,记录了各构件的轴向位移、板件平面外位移、应变和荷载等数据,分析了畸变屈曲对试件极限承载力、变形和应变发展等的影响。建立了薄壁异形截面铝合金轴压构件的有限元模型,并将有限元模拟得到的构件承载力、破坏模态、应变发展以及变形情况等结果与试验结果进行了对比,验证了该有限元模型的准确性。     

铝合金矩形开孔柱轴压性能试验研究

采用试验研究的方法,对6061-T6系列和6063-T5系列的铝合金矩形开孔柱的轴心受压性能进行了试验研究。试验主要研究了材料的力学性能、试件的初始几何缺陷、变形性能、破坏模式、轴压承载力、孔洞的存在及数目对铝合金轴心受压构件承载力和屈曲模式的影响等,并将试验所得结果与各国铝合金设计规范中相关公式计算所得结果和北美冷弯型钢轴心受压开孔构件的有效宽度法公式的计算结果进行了对比。通过试验和对比发现:中国规范关于铝合金轴心受压构件极限承载力的计算结果偏大,欧洲规范更贴近试验结果,孔洞的存在降低了构件的承载力,北美冷弯型钢轴心受压开孔构件的计算公式不适用于铝合金开孔构件。     

高强冷弯薄壁型钢轴压短柱受力性能试验研究

为了验证壁厚小于1 mm的G550级高强钢材对中国〈冷弯薄壁型钢结构技术规范〉（GB50018-2002）相关设计规定的适应性,进行了30根冷弯薄壁型钢方管截面轴压短柱的试验研究,试件的壁厚均为0.6 mm、宽厚比为20～150.试验结果表明：当宽厚比较小时（b/t≤40）,试件的初始缺陷和高强钢材本身特性对构件承载力的影响较大,试件材料的强度得不到充分发挥;当宽厚比较大时（b/t＞40）,高强钢材局部屈曲和有效截面是影响构件承载力的主要因素.通过对试验结果和各国规范计算结果的对比分析,给出了高强冷弯薄壁型钢构件按中国规范GB 50018-2002计算有效宽度的建议.     

异形截面铝合金轴压构件承载力及局部屈曲研究

使用ABAQUS得到异形截面铝合金构件的承载力,发现我国的铝合金结构设计规范GB 50429—2007和欧洲铝合金结构设计规范Eurocode 9对该类截面铝合金轴压构件承载力的计算结果相对保守。原因在于2个规范都采用有效厚度法考虑板件局部屈曲的影响,但并不能准确反映局部屈曲程度。使用ABAQUS针对不同宽厚比的箱型截面和工字型截面铝合金轴压构件进行参数分析,在中国规范的基础上给出了建议的有效厚度折减公式,并验证了建议公式对异形截面铝合金构件的适用性。     

不锈钢焊接工字形截面短柱轴压局部稳定性能试验研究

对奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号的15个不锈钢焊接工字形截面短柱开展轴压局部稳定试验研究,考察截面组成板件的局部稳定性能和截面承载力,得出了试件截面的应力-应变关系曲线。研究结果表明：厚实截面的试件承载力高于其截面屈服荷载,试件截面应力-应变关系曲线表现出典型的非线性特性和应变硬化特征;而宽肢薄壁截面的组成板件发生过早的局部屈曲,使得试件承载力不能达到截面的屈服荷载,需要对截面强度进行折减。基于得出的试验结果和现有的其他试验数据,对现有设计方法,包括欧洲规范EN 1993-1-4和美国规范SEI/ASCE 8-02中的有效宽度法以及直接强度法计算得出的截面承载力进行评估,表明根据欧洲规范EN 1993-1-4和直接强度法计算得到的截面承载力偏于保守,而美国规范SEI/ASCE 8-02对宽厚比较大的截面承载力计算偏于不安全,而且计算离散性较大。     

不锈钢焊接H形截面柱滞回性能试验研究

为了研究不锈钢焊接H形截面柱的滞回性能,对10个不锈钢焊接H形截面柱进行了循环加载试验,分析了轴压比、翼缘宽厚比和腹板宽厚比对试件的破坏形态、承载力、耗能能力、塑性发展能力和延性的影响。结果表明：所有不锈钢焊接H形截面柱试件的破坏过程均为翼缘首先发生局部屈曲变形,然后腹板发生局部屈曲变形,屈曲变形形状均呈半正弦波状;板件宽厚比越大,试件达到破坏时的位移级和等效黏滞阻尼系数越小,位移延性系数和塑性发展系数越小,承载力退化越快;轴压比对试件的抗震性能影响显著,其影响规律与板件宽厚比的相似。对于不锈钢结构的抗震设计,建议在规定H形截面柱宽厚比限值时考虑轴压的影响。     

弯剪共同作用下不锈钢薄腹梁承载性能试验研究

为研究不锈钢薄腹梁在弯矩和剪力共同作用下的承载性能,进行了6根焊接工字形截面不锈钢梁的试验研究。结果表明,所有梁试件的破坏形态为结合了腹板剪切屈曲和受压区板件局部鼓曲的弯剪联合屈曲。建立精细有限元数值模型对试验过程进行模拟,同时考虑了不锈钢材料、几何双非线性,局部几何初始缺陷和焊接残余应力的影响。基于得出的试验和有限元分析结果,对我国《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)中考虑腹板屈曲后强度的梁弯剪相关计算方法进行评估。分析表明：当梁的极限承载力受剪切控制时,腹板正则化宽厚比较大时的规范计算承载力偏于保守,而正则化宽厚比较小时的计算承载力与试验和有限元分析结果较为接近;当梁的极限承载力由弯剪共同作用控制时,规范中公式的承载力计算值偏于安全。总体而言,GB 50017—2017的计算方法可以直接应用于计算不锈钢焊接截面梁在弯剪共同作用下的极限承载力。     

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

为研究Q460高强度钢材箱形柱的抗震性能,对5个足尺试件进行了水平往复加载试验研究,分析了板件宽厚比、轴压比等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力和延性的影响。试验结果表明,Q460高强度钢材箱形柱具有很好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震钢框架;除试件HB-1外其他试件本身及其柱脚节点均未发生焊缝开裂,证明设计合理、质量合格的Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和良好的抗震性能;板件宽厚比越大,试件局部屈曲出现得越早,最大荷载对应的位移级越小,达到破坏时的位移级也越小;试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小,所有试件最大屈曲位置距固定端0.25B~0.50B（B为等边箱型截面外边长）,塑性区范围距离固定端0.72B~1.06B。根据试验结果,建议在轴压比不大于0.2时,Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30;同时,钢框架柱在进行抗震设计时,其板件宽厚比限值应与轴压比相联系,轴压比越大,板件宽厚比限值应越小。     

不锈钢焊接箱形截面柱轴心受压相关稳定试验研究

不锈钢的非线性材料特性使其构件承载性能不同于普通钢结构构件,需要开展专门的研究。通过焊接加工8个不锈钢箱形截面柱,包括奥氏体型S30408和双相型S22253两种牌号,在试件两端铰接的约束条件下开展轴心承压加载试验。试验中对板材力学性能、试件的局部与整体几何初始缺陷、纵向焊接残余应力分布和加载初偏心进行了测量。加载试验得出了板件的局部屈曲承载力与构件的相关稳定承载力,展示了从组成板件局部屈曲到构件整体弯曲屈曲的渐变失效形态。将试验结果与欧洲不锈钢规范EN 1993-1-4、直接强度法和中国冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018的计算公式进行比较表明,由于欧洲规范和直接强度法没有考虑不同牌号不锈钢材料力学性能的差异,对双相型S22253构件的承载力计算偏于保守,而奥氏体型S30408构件的计算承载力偏于不安全;而中国规范GB 50018没有考虑焊接残余应力、几何缺陷和材料非线性的不利影响,高估了构件的相关稳定承载力。所得到的试验结果将为后续的数值分析与理论研究提供数据支撑。     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件试验研究及承载力分析

对63根屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件进行试验研究,分析了构件的屈曲模式和极限承载力,并将参考AISI规范、澳洲规范和北美规范及我国现行行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）计算的构件承载力与试验结果进行分析比较。在此基础上,对高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明：高强超薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件在宽厚比较大时会出现畸变屈曲模式;采用等效板件方法计算加劲板件有效宽度后,我国《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（报批稿）适用于屈曲强度550MPa、厚度小于2.00mm的冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件承载力计算。     

铝合金轴心受压构件局部整体相关稳定试验研究

铝合金轴压构件局部与整体相关稳定性能,在国内外尚无系统的研究。为此,该文对12根铝合金6061-T6和6063-T5工形截面轴心受压构件的局部整体相关稳定性能进行试验研究,包括其破坏形式、变形性能以及极限承载力等。将试验结果与中国规范、欧洲规范、美国规范和澳大利亚/新西兰规范计算结果进行对比分析,验证各规范设计方法的可靠性。采用有限元软件ANSYS对试验结果进行模拟计算。研究结果表明：有限元模型能够准确地计算铝合金轴压构件的承载力,可以应用在下一步的参数分析中;各国规范设计方法对弱硬化合金承载力计算的准确程度优于强硬化合金;美规和澳规对弱硬化合金极限承载力的计算较准确,但是对强硬化合金的计算偏于保守;中国规范和欧规分别考虑局部失稳和整体失稳,并将两者的影响进行叠加,计算结果过于保守。因此,需要调整中国规范中的参数,以得到更加合理的设计。     

Aluminum alloy tubular columns—Part I: Finite element modeling and test verification

A numerical investigation on fixed-ended aluminum alloy tubular columns of square and rectangular hollow sections is described in this paper. The fixed-ended column tests were conducted that included columns with both ends transversely welded to aluminum end plates using the tungsten inert gas welding method, and columns without welding of end plates. The specimens were extruded from aluminum alloy of 6061-T6 and 6063-T5. The failure modes included local buckling, flexural buckling, interaction of local and flexural buckling, as well as failure in the heat-affected zone (HAZ). An accurate finite element model (FEM) was developed. The initial local and overall geometric imperfections were incorporated in the model. The non-welded and welded material nonlinearities were considered in the analysis. The welded columns were modeled having different HAZ extension at the ends of the column of 25 and 30 mm. The nonlinear FEM was verified against experimental results. It is shown that the calibrated model provides accurate predictions of the experimental loads and failure modes of the tested columns. The load-shortening curves predicted by the finite element analysis are also compared with the test results.     

Nonlinear analysis of concrete-filled thin-walled steel box columns with local buckling effects

Local buckling of steel plates reduces the ultimate loads of concrete-filled thin-walled steel box columns under axial compression. The effects of local buckling have not been considered in advanced analysis methods that lead to the overestimates of the ultimate loads of composite columns and frames. This paper presents a nonlinear fiber element analysis method for predicting the ultimate strengths and behavior of short concrete-filled thin-walled steel box columns with local buckling effects. The fiber element method considers nonlinear constitutive models for confined concrete and structural steel. Effective width formulas for steel plates with geometric imperfections and residual stresses are incorporated in the fiber element analysis program to account for local buckling effects. The progressive local and post-local buckling is simulated by gradually redistributing the normal stresses within the steel plates. Two performance indices are proposed for evaluating the section and ductility performance of concrete-filled steel box columns. The computational technique developed is used to investigate the effects of the width-to-thickness ratios and concrete compressive strengths on the ultimate strength and ductility of concrete-filled steel box columns. It is demonstrated that the nonlinear fiber element method developed predicts well the ultimate loads and behavior of concrete-filled thin-walled steel box columns and can be implemented in advanced analysis programs for the nonlinear analysis of composite frames.     

球头加劲铝合金轴压构件的局部稳定设计方法分析

工程中常采用对铝合金截面设置球头加劲肋的方法来提高受压构件的稳定性能,为了研究球头的设置对局部稳定承载力的影响,对包含球头的8个方管、10个十字形和13个工字形截面轴压柱模型进行了数值模拟,将得到的承载力与我国GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》、欧洲规范EN 1999-1-1和美国铝合金设计手册中对含加劲肋的受压构件局部稳定承载力预测值进行比较,研究了各规范中设计方法的精度。结果表明,我国规范对于十字形截面构件的预测误差有随板件宽厚比增大而增大的趋势,对方管截面和工字形截面构件预测精度较高,误差在10%以内,由于存在一些构件预测偏于不安全的情况,建议采用我国规范方法计算中间加劲板件的稳定承载力时,引入一定的安全系数。设置球头加劲肋后,构件局部稳定承载力相比未设加劲肋的可提高10%～43%,因此可将板件制作得更薄,提高利用效率。     

高强度钢材箱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箱形截面柱的局部稳定受力性能,对4个Q460钢材等边箱形短柱进行轴心受压试验。根据试验结果分析试件的局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,并将试件的局部屈曲应力、极限应力与我国、美国、欧洲钢结构设计规范以及陈绍蕃建议的相应设计方法和计算公式进行对比分析。结果表明,钢板的宽厚比越大,试件截面的利用率越低,局部屈曲后强度越富余;我国钢结构设计规范中对于试件的局部屈曲应力的计算公式不适用于等边箱形短柱;对于等边箱形短柱的极限应力,美国、欧洲钢结构设计规范和陈绍蕃建议的设计方法的计算结果较为接近,且均略高于试验结果,这3种设计方法都是可行的。进一步修改已有的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的局部屈曲应力;建议采用陈绍蕃建议的设计方法,并进一步修改欧洲钢结构设计规范的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的极限应力。     

Finite element analysis of local buckling behavior of steel plates in concrete-filled double steel plate composite shear walls

采用ABAQUS有限元软件对双钢板-混凝土组合剪力墙中外包钢板的局部屈曲行为进行了有限元模拟,分析外包钢板在轴压作用下的局部屈曲和屈曲后的受力性能。共开展了15个模型的有限元分析,模型的变化参数包括钢板的宽厚比和对拉钢筋的列数。分析结果表明：对于列间距和行间距相同的对拉钢筋布置方案,钢板局部屈曲始终发生在相邻两对拉钢筋之间;钢板发生屈曲后,与屈曲位置相邻的对拉钢筋承受较大的拉力,且对拉钢筋拉力随着对拉钢筋间距的减小而增大;增加对拉钢筋列数和减小钢板宽厚比可有效改善外包钢板的局部稳定性能,提高钢板的承载能力和变形能力;相比点约束,线约束对钢板局部屈曲的约束更为有效;无对拉钢筋模型、单列对拉钢筋模型和双列对拉钢筋模型达到屈服强度（345MPa）所需的最小宽厚比分别为25、30和37.5。     

Local buckling strength of closed polygon folded section columns

The local buckling behavior of regular polygonal, short length steel columns, fabricated by welding two half sections made of folded steel plates, is described. The polygonal sections are composed of five different section profiles with four to eight sides and each profile having component plates with one to four varied width-to-thickness ratios. A total of 15 specimens are used in the compression test, sustaining uniform compression stress in the fixed end condition. Accurate measurements of welding and cold-forming residual stresses and geometric imperfections were taken prior to testing and are presented in this paper. The test strengths are compared with the current plate buckling code in Japan and with the ECCS recommendations for unstiffened circular cylinders. The empirical design formula based on the test data is also presented to predict the local buckling strength of the polygonal section columns.     

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。     

960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明：当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。