U形肋加劲板局部稳定性试验研究

U形肋加劲板是构成钢箱梁顶板、底板的主要板件,U形肋腹板与被加劲板局部失稳是其两种主要失稳破坏模式。为研究U形肋加劲板的局部稳定性能,分别设计并制作了U形肋腹板与被加劲板壁板两组局部稳定试件,并考虑U形肋腹板宽厚比、被加劲板宽厚比以及U形肋翼缘与腹板间弯曲半径变化。通过轴压试验得到了U形肋加劲板的局部失稳破坏模式、稳定承载力、应力-位移曲线以及局部稳定折减系数。试验研究表明：随着局部板件宽厚比的增大,试件由强度破坏转变为失稳破坏,且失稳破坏特征表现得越明显。当板件宽厚比不小于22.5时,宽厚比较大的板件先于其他板件失稳。U形肋腹板与翼缘之间弯曲半径增大时,U形肋腹板宽度及宽厚比变大,导致U形肋腹板稳定承载力降低。将试验结果与公路钢桥规范中的稳定系数曲线对比发现,对于钢桥规范中的稳定曲线,采用钢材屈服强度计算得到的板件稳定承载力明显小于试验值,而采用抗拉强度计算得到的板件稳定承载力接近试验值,说明采用钢桥规范计算U形肋加劲板稳定承载力,其安全系数和钢材的抗拉强度与屈服强度比值相当。     

受压U肋加劲板局部稳定受力性能数值模拟

为了掌握受压U肋加劲板的局部稳定受力性能,考虑残余应力与初始几何缺陷,建立U肋加劲板局部稳定试验试件的有限元模型,通过考虑不同宽厚比的试验验证该数值模拟方法的正确性;将U肋加劲板及其腹板简化为四边简支板,并通过数值模拟方法验证四边简支板简化模型的正确性。结果表明:采用数值模拟方法计算得到的破坏模态和应力 位移曲线与试验曲线吻合较好,所计入的残余应力和几何缺陷大小是合理的;采用简化的四边简支板模型和试验试件模型计算的应力 位移曲线从开始到峰值吻合较好,在下降段四边简支板模型下降斜率有所增大;在分析受压U肋加劲板受力性能时,可以选用等效四边简支板简化模型分析其局部稳定承载力。     

考虑相关屈曲的轴压铝合金板件有效截面计算

根据板件屈曲微分方程的Levy解,建立了受压箱形截面及槽形截面的弹性相关屈曲理论,给出了相邻板件约束系数的计算式。在现行欧洲铝合金结构设计规范Eurocode 9关于加劲板件及非加劲板件有效截面计算的基础上,通过引入约束系数考虑了相临板件间约束作用对截面承载力的影响,从而进一步完善了铝合金受压板件的局部稳定设计理论。应用非线性有限元软件计算了均匀受压箱形截面及槽形截面铝合金短柱的极限承载力,并与建议方法作了比较。分析表明,受压板件发生局部屈曲时确实存在板组效应,且采用文中提出的计算方法得出的结果在大多数情况下是偏于安全的。     

板肋加劲板整体稳定数值模拟与受力机理研究

分别采用梁单元与板壳单元建立同时考虑初始几何缺陷和焊接残余应力的受压板肋加劲板整体稳定分析有限元模型,并以相应试验结果进行验证,得到梁与板壳单元模拟受压板肋加劲板整体稳定的异同。采用经验证的数值模拟方法,对不同弯曲失稳方向板肋加劲板的受力机理进行了研究。结果表明:采用板壳单元可以较好还原板肋加劲板整体稳定受力性能,板壳有限元模型与试验试件的承载力最大相对误差为4.2%,平均相对误差为1.48%; 梁单元模型与长(中长)柱试验试件的承载力最大相对误差为5.4%,平均相对误差为1.92%,与短柱试件的承载力相对误差虽仅为0.7%,但由于不能考虑板件发生的塑性失稳,其应力-位移曲线拟合情况相对较差; 不同弯曲失稳方向板肋加劲板整体稳定构件的破坏特征不同,其中对于板肋侧弯曲的板肋加劲板整体稳定构件,被加劲板边缘部分受压达到材料屈服强度且板肋边缘受拉达到屈服强度时,构件整体达到其承载极限; 对于被加劲板侧弯曲的板肋加劲板整体稳定构件,当板肋边缘部分受压达到材料屈服强度时,构件整体达到其承载极限; 对于实际工程中组成钢箱梁顶板的板肋加劲板,制作时应避免朝向板肋侧的变形。     

板件中间加劲的复杂卷边槽钢轴压构件弹性畸变屈曲应力的实用计算法

为了研究板件中间加劲的复杂卷边槽钢轴压构件畸变屈曲临界应力的简便计算方法,应用有限条分析软件CUFSM对冷弯薄壁板件中间加劲的复杂卷边槽钢以及腹板中间V型加劲的复杂卷边槽钢共90个轴压构件进行数值模拟,分析各参数对构件弹性畸变屈曲临界应力的影响。经拟合分析,得出针对板件中间加劲的复杂卷边槽钢、腹板中间V型加劲的复杂卷边槽钢轴压构件的弹性畸变屈曲临界应力的简化计算公式,并验证该公式的有效性。     

正交异性闭口加劲板的承载力分析理论及试验研究

加劲板的局部稳定是正交异性扁平钢箱梁结构设计中的一个关键问题,我国桥梁设计规范没有这方面的规定。为了解决正交异性扁平钢箱梁结构中闭口加劲板的稳定极限承载力计算问题,以适应我国目前钢桥应用日益广泛的需要,在总结中外学者研究成果和国内外设计规范的基础上,提出一种计算闭口加劲板稳定承载力的计算理论,该理论计入材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷、焊接残余应力等4种不利影响,并对加劲板结构的初始几何缺陷大小的取值以及残余应力分布模式进行讨论。为了验证理论的正确性、把握闭口加劲板结构的屈曲特性,设计3种不同结构布置的6块闭口加劲板结构进行稳定承载力模型试验,得到加劲板的破坏形态、极限荷载大小以及荷载-位移关系曲线。试验结果与理论分析结果吻合较好,这表明该理论可用于对闭口加劲板的极限承载力计算。     

钢箱梁局部稳定性计算方法研究

由于钢箱梁纵向加劲肋受力比较复杂从而给计算带来不便。为简化计算,文章一方面提出钢箱梁受压部分在有无设置纵肋时的局部屈曲临界应力之差等效为纵肋的临界轴向压力并以此作为腹板在纯弯作用下纵肋局部稳定设计标准;另一方面,以相似截面形状压应力分布相似为基础,利用等效法将闭口和开口加劲肋与主钢板一起分别等效为箱形截面和T形截面;同时,在加劲肋属于全加劲时,不考虑加劲板横向变形的情况下,根据欧拉公式按加劲板惯性矩和宽度相等的原则将之等效为矩形截面钢板。     

各向同性和各向异性加劲板的局部屈曲和屈曲后的性能分析

研究了评估各向同性和各向异性加劲板的局部屈曲和屈曲后性能的方法。该方法考虑了2个加劲肋之间的加劲板块,用等效的各种不同刚度横向和转动弹簧代替其余的板块,作为所计算板块的弹性支座。在解决各向同性和具有任意边界条件的碾压对称组合板的局部屈曲问题时,采用二维里兹位移函数(pb-2Ritz)。通过板块的屈曲分析能准确地预测板的局部屈曲性能。最后,将此方法加以改进,用于预测表面已经局部屈曲的加劲板的屈曲后反应。选择适当的边界条件对所分析的构件在屈曲后性能的计算中是非常重要的。该方法计算的结果与相应的有限元结果符合较好。     

板肋被加劲板受压局部稳定性能与计算方法

针对板肋加劲板局部失稳破坏模式的不同,建立不同宽厚比的板肋加劲板有限元模型进行局部稳定分析,研究不同失稳模式下板肋加劲板的受力机理与影响因素,同时采用三次多项式对四边简支板、构件中被加劲板的局部稳定折减系数进行非线性曲线拟合,并与各国规范曲线进行对比。研究发现：被加劲板局部失稳模型表现为被加劲板与板肋的面外多波失稳变形;残余压应力分布对两类失稳构件极限承载力的影响不大;局部缺陷对板肋失稳构件的影响较小,而对被加劲板失稳的影响较大。构件中被加劲板的拟合曲线更早出现折减,不同钢材强度的拟合曲线趋势基本一致,钢材强度越高,曲线越晚发生折减。对于不同强度的四边简支板公式曲线,当相对宽厚比超过0.79与0.80时,曲线高于我国与日本规范曲线;对于构件中被加劲板公式曲线,当相对宽厚比超过1.31与1.36时,曲线高于各国公式曲线。推荐采用四边简支板拟合的公式进行计算。     

开口肋加劲板屈曲模态与临界屈曲应力分析

为更好掌握开口肋加劲板的设计计算方法,采用弹性稳定分析方法,对无纵向和横向加劲肋的四边简支板、纵向加劲肋等间距布置的四边简支加劲板、纵向和横向加劲肋等间距布置的加劲板进行屈曲模态和临界屈曲应力分析。结果表明:对于四边简支板或四边简支加劲板,临界屈曲应力与板宽、板长和板厚均有关,减小板宽和板长以及增大板厚可提高临界屈曲应力;随着加劲肋刚度比的变化,四边简支加劲板一般表现出3种屈曲模态,模态1为加劲肋与被加劲板共同发生整体屈曲,模态2为在加劲肋处形成波节,加劲肋与被加劲板发生屈曲,模态3为加劲肋为刚性加劲肋,不会发生失稳,只有被加劲板发生局部失稳;临界屈曲应力随加劲肋刚度比的增大而增大,模态1增大幅度最大,模态2次之,模态3逐步趋于定值。     

H型钢截面竖板的局部稳定研究

本文采用曲壳有限单元法计算了焊接H型截面中厚和特厚钢板竖板的局部稳定承载力。计算时计入了初始缺陷和板组约束对板件局部稳定的影响。根据理论计算结果分析了现行各规范的误差。最后提出了验算H型钢截面竖板局部稳定的建议方法及其公式。经与本文理论计算结果及试验结果的比较,证明本文建议公式精度较高。     

卷边槽形截面受弯构件畸变屈曲计算方法研究

采用能量法分析冷弯薄壁型钢卷边槽形开口截面受弯构件弹性畸变屈曲应力及其畸变屈曲稳定系数。通过与有限条法分析的畸变屈曲应力进行对比分析,表明建议的畸变屈曲应力计算公式具有较高的精度,通过简化计算得到畸变屈曲稳定系数计算公式及部分加劲板件的局部畸变屈曲统一计算公式;给出了卷边槽形截面受弯构件考虑畸变屈曲的稳定承载力计算方法。最后通过分析计算受弯构件试验的构件承载力并与试验结果进行对比,表明本文提出的计算方法是合理的,相对于现行GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》能更准确地计算受弯构件部分加劲板件屈曲稳定系数及卷边槽形截面构件的稳定承载力。     

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.     

边缘加劲板件有效宽厚比设计方法中的板组效应研究

本文根据能量原理,建立了边缘加劲板件的弹性屈曲理论和卷边槽形截面薄壁构件的板组相关屈曲理论。通过屈曲理论分析,得到了非均匀受压边缘加劲板件的屈曲系数及其反映板组效应的约束系数,并将其引入新修订的《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018)的有效宽厚比设计方法中。本文介绍了50根冷弯薄壁型钢受压构件试验,并按修订后的规范方法进行了试件承载力计算,计算值与试验值比较,偏于安全。将考虑板组效应的有效宽厚比设计方法与国内外现行规范设计方法相比较,具有优越性。     

均匀轴压下曲板的稳定性研究

在钢桥建造中,曲板的应用越来越广泛。但由于缺乏相应标准,特别是在欧洲规范中,所以在设计过程中会遇到一些困难。基于欧洲规范3中的各种稳定方程,给出均匀轴压下非加劲圆柱曲板极限承载力的计算方法。首先进行一系列数值模拟,以确定曲板的基本弹塑性性能。基于数值结果,提出计算弹性屈曲承载力和极限承载力的半经验公式,并举例说明。     

滚动轴承滚动体板单元模拟的边界元法

在三维弹性接触边界元法基础上,采用不同形状板单元描述中间滚动体,并置于内环上,从而将多物体接触问题简化成两物体接触问题。对于板单元的弹性变形,用Hertz接触公式,将其变形以等效间隙代入总体矩阵方程中,从而获得轧机滚动轴承负荷特性的三维分布。本方法具有计算模型直观,简单和较高的计算精度,因而成为设计和分析轧机滚动轴承负荷特性的有效数值方法。     

加劲板有限元屈曲分析

本文提出了加劲板屈曲分析的等参加劲板弯曲单元。在西文的方法中，加劲松件可放在平板单元内部任意位置，而不必放在节线上，由于等参二次单元能较容易地适应曲线边界，层状板材和横向剪切变形。公式暨能应用于薄板又能适用于厚板。并给出了各种正交含可变斜交角的斜交加劲板之临界荷载和加劲参数，其结果表明与某些文章发表过结果完全一致。     

发生畸变屈曲的纵向加劲板的受压试验

采用厚4.0mm,名义屈服应力为235.0MPa的中厚钢板制作板件,并分别设置不同刚度的纵向加劲肋,对此纵向加劲板进行受压破坏试验。对发生畸变屈曲或局部与畸变相关屈曲的纵向加劲板的受压极限承载力和性能进行试验和理论研究,结果表明:临界屈曲模式主要取决于纵向加劲肋的刚度和母板的宽厚比。对于某些加劲板,局部屈曲和畸变屈曲之间的相互作用非常明显。畸变屈曲构件和局部与畸变相关屈曲构件展示了较大的后屈曲强度。研究纵向加劲板的的畸变屈曲强度曲线。采用直接强度法提出设计强度简化公式,用于考虑纵向加劲板的畸变屈曲及局部与畸变相关屈曲。将强度曲线与试验和有限元结果对比,验证了曲线的正确性。通过试验研究,得出有关纵向加劲板的屈曲性能的一些结论。     

横向加劲板在局部载荷作用下的稳定性分析

本文采用Ｒｉｔｚ法分析局部载荷作用下的横向加劲板的屈曲强度，板内应力则采用有限条法计算。给出了加劲肋的临界刚度比及板的最大屈曲系数的计算图表。分析结果表明，当载荷相对尺寸小于０．５，板长宽比小于１．３８时，横向加劲板比纵向加劲板具有较高的临界载荷。     

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。