火灾下两相邻面受火H形钢柱的截面温度分布规律研究

当火灾中钢框架柱不均匀受火时,会在截面和高度方向产生温度梯度。现行规范给出了火灾中钢构件升温的计算公式,但这些公式均是基于温度沿构件高度和截面均匀分布的假设。采用有限元方法研究了火灾中两相邻面受火钢柱的截面温度场,火灾场景采用ISO834标准升温曲线,钢柱采用非膨胀型防火涂料保护。对于所研究的两相邻面受火钢柱,沿截面宽度和高度方向均存在温度梯度。基于参数分析结果,对欧洲规范EN 1993-1-2中钢构件升温计算公式进行了修正,来计算两相邻面受火钢柱截面各部分的升温曲线。     

十字形异形柱分析与设计

十字形截面柱为异形截面柱,截面本身绕弱轴抗弯模量很小,相比常规截面更易发生屈曲破坏和弯扭失稳,《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)未对其承受面内弯扭的整体稳定系数有明确规定,因此本文通过一个工程实例对十字形钢柱进进行有限元数值模拟分析,考虑不同的加载工况,结合《欧洲钢构设计规范》(EN-1993-1-1:2005)进行计算,并对上述结果进行对比分析,为十字形截面钢柱的设计和分析提供有价值的参考。     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能,使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系,基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型,考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响,模拟得到了钢柱的受火响应,其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明,无防护的Q690钢柱在受火20 min左右发生破坏,破坏模式为整体失稳破坏;荷载比对临界温度影响较大,长细比和升温速率影响较小; Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

高强度Q690钢柱耐火性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱的耐火性能，使用电炉对无防护足尺焊接H形Q690钢柱进行模拟ISO 834升温条件下耐火试验。测量得到不同荷载比下Q690钢柱温度、轴向位移、侧向位移与受火时间的关系，基于试验数据得到钢柱的临界温度和耐火极限。采用ABAQUS有限元软件建立钢柱耐火性能分析模型，考虑钢材高温蠕变和焊接残余应力的影响，模拟得到了钢柱的受火响应，其与试验结果吻合良好。利用验证的有限元模型分析了荷载比、长细比和升温速率对钢柱受力性能的影响。研究表明，无防护的Q690钢柱在受火20min左右发生破坏，破坏模式为整体失稳破坏；荷载比对临界温度影响较大，长细比和升温速率影响较小；Q690钢柱的临界温度比GB 51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》和欧洲规范EN 1993-1-2的计算结果低60℃左右。最后提出了高强Q690钢柱抗火设计的简化方法。     

冷弯薄壁帽型截面立柱轴压试验研究

对厚度分别为0.8,1.0,1.2,1.5,1.8,2.0 mm,长度为3 m的18个冷弯薄壁帽型截面立柱进行轴压试验,并采用国内外规范及理论计算方法对立柱轴压承载力进行计算和比较。研究表明:当帽型截面的厚度较小(0.8,1.0 mm)时,立柱先局部失稳,而后发生整体弯曲或弯扭失稳;而当截面厚度较大(1.2,1.5,1.8,2.0 mm)时,立柱则直接发生整体的弯曲或弯扭失稳。采用AISI S100-2007中直接强度法计算出的帽型截面轴压承载力与试验值总体接近;当厚度为1.5,1.8 mm时,采用GB 50018—2002、AISI S100-2007和BS EN1993-1-3∶2006的计算结果与试验值吻合良好;当厚度为1.0,2.0 mm时,除BS EN1993-1-3∶2006外,中国、美国标准计算结果与试验值相差均较大,达到10%~21%。     

热轧角钢轴压构件的稳定承载能力分析

等边角钢截面为单轴对称截面,除绕非对称轴失稳为弯曲失稳外,绕其他任意轴均为弯扭失稳。不等边角钢截面为无对称轴截面,绕任意轴失稳均为弯扭失稳。始网结构设计规范》（GB50017-2003）采用换算长细比的方法将弯扭失稳等效为弯曲失稳,这种计算方法是否完善有待验证。现采用有限元软件ANSYS,研究单角钢轴心受压构件的弯扭失稳,通过与规范进行对比分析,认为规范方法不够合理,并提出简单实用的稳定系数计算公式。     

火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能影响的研究现状

本文介绍了火灾下非均匀受火钢柱截面温度分布规律及其对钢柱抗火性能的研究进展和已有研究成果,包括钢柱截面非均匀温度分布产生的原因及截面温度非均匀分布对钢柱抗火性能的影响。钢柱截面不均匀温度产生的原因有:钢柱受到建筑填充墙保护,非4面受火;钢柱仅部分截面采用防火保护;受洞口非均匀火灾影响的建筑外框架柱;钢柱防火保护层不均匀或局部破损等。截面温度不均匀对钢柱抗火性能的影响包括:截面产生附加应力,使钢柱临界温度降低;钢柱截面不对称,发生弯扭破坏;钢柱产生热弯曲,以及破坏时可能出现的反向弯曲等。并对需要进一步研究的问题给出了建议。     

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。     

厚型防火涂料保护钢柱三面受火时截面温度分布规律及计算方法

当钢柱三面受火时,沿截面方向会产生温度不均匀分布的现象。而现行规范假设各种受火情况下钢柱沿截面方向的温度分布均匀,并以此为前提提出了钢构件温度的计算公式。研究了受厚型防火涂料保护的钢柱在三面受火条件下截面温度的分布规律,利用有限元软件ABAQUS进行参数分析,参数分析的变量主要为截面形状系数,通过改变截面高度和腹板厚实现对截面形状系数的影响。通过对EC3中采用的受保护钢构件受火升温公式进行修正,建立了截面不同部位升温的计算方法,并给出沿截面不同温度分布曲线的计算公式。     

三面受火钢柱抗火临界温度的数值模拟分析

应用ANSYS软件计算了钢柱在标准的升温模式下的温度场,分析了在三面受火作用下钢柱截面的温度变化情况,然后利用ANSYS的耦合分析,将温度场导入结构分析中,进一步分析研究了在火灾下的钢柱截面温度分布对钢柱耐火临界温度的影响。     

钢构件整体稳定直接分析法研究现状及展望

钢构件整体稳定设计的基础理论不仅是结构设计的依据,也是钢结构直接分析法发展和完善的重要基础。以轴压构件、受弯构件和压弯构件为研究对象,对中国、美国、欧洲现行钢结构设计标准GB 50017—2017、ANSI/AISC 360-16、EN 1993-1-1: 2005中钢构件整体稳定(弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳)设计的基础理论进行了归纳与总结。基于初弯曲轴压构件弯曲失稳设计的基础理论,揭示了初始几何缺陷对钢构件整体稳定的分析过程和分析结果的影响。从完整的步骤、完备的表达式两方面归纳了钢构件整体稳定的构件直接分析法的应用情况。并就轴压构件、受弯构件以及压弯构件整体稳定的构件直接分析法的研究现状进行了分析,指出了存在的问题,并对后续研究进行了展望。     

电除尘器中一双肢超宽截面柱轴压稳定性研究

某大型电除尘器壳体内设有一非常规截面轴心受压柱,由于其截面和构造的特殊性,立柱绕强轴的稳定性无法按照现行规范设计。通过非线性有限元方法,考虑初始几何缺陷和焊接残余应力影响,研究立柱承受轴向压力时绕强轴的稳定性。结果表明,立柱不会发生绕强轴的弯曲失稳,而是表现为弹塑性弯扭失稳。两肢间连接槽钢和连接腹板上加劲角钢增强时,稳定性有很小幅度的提高。连接腹板宽厚比增大,稳定性明显变差。在保持H型钢柱绕强轴长细比不变时,稳定性随着H型钢柱腹板高厚比的增大而增强。根据大量计算结果,通过数值回归,提出此种截面柱绕强轴稳定承载力的计算建议,并提出使立柱截面设计更为经济合理的连接腹板宽厚比的设计方法。     

高强度Q690钢柱受火后受力性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱受火后的受力性能,采用电炉将2根高强度Q690钢焊接H形截面柱升温至800℃后自然冷却至常温,对受火后钢柱进行受压试验,得到钢柱的承载力和破坏模式。为考察受火对钢柱承载力的影响,对2根同尺寸不受火钢柱也进行受压试验。使用ABAQUS软件建立了试验钢柱有限元模型,考虑钢材受火后力学性能的退化和截面残余应力的影响,模拟试验构件的结构响应,并与试验结果进行对比。研究表明:钢柱均发生了绕弱轴的整体失稳破坏;经800℃受火作用后的钢柱承载力与不受火相比降低30%左右;有限元分析结果与试验结果吻合良好。进而采用有限元模型分析受火温度、冷却方式、长细比等参数对受火后Q690钢柱整体稳定系数的影响,有限元分析发现:受火后Q690钢柱稳定系数随受火温度升高呈先增大后减小的趋势,转折点为800℃左右;受火温度较低时冷却方式对Q690钢柱稳定系数影响较小,受火温度高于800℃后影响显著;受火后Q690钢柱稳定系数随长细比增大而降低,长细比小于80时,降低幅度较大,长细比超过80时,降低幅度减小。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力影响参数研究

利用经试验验证的ABAQUS有限元模型,对轴心压力作用下的轴向约束高强钢柱受火后的剩余承载性能进行了参数分析,考虑了过火温度、荷载比、轴向约束刚度比、长细比以及高强钢材强度等级等参数的影响。参数分析结果表明：当过火温度小于屈曲临界温度时,受火过程对轴向约束钢柱的轴压承载力没有影响;当过火温度大于屈曲临界温度时,钢柱的轴压剩余承载力会明显减小,且随着过火温度的升高,剩余承载力逐渐降低;轴向约束刚度比和长细比对约束钢柱的过火温度为屈曲临界温度时对应的轴压剩余承载力影响显著;荷载比对约束钢柱的过火温度为破坏临界温度时对应的轴压剩余承载力影响明显;高强钢材强度等级对约束钢柱受火后轴压承载力影响较小。根据参数分析所得数据及规律,提出了超500MPa高强钢轴向约束柱受火后轴压剩余承载力的简化计算方法,将计算结果与有限元分析结果对比,验证了该简化计算方法的可靠性。     

约束高强钢柱受火后轴压剩余承载力影响参数研究

利用经试验验证的ABAQUS有限元模型,对轴心压力作用下的轴向约束高强钢柱受火后的剩余承载性能进行了参数分析,考虑了过火温度、荷载比、轴向约束刚度比、长细比以及高强钢材强度等级等参数的影响。参数分析结果表明:当过火温度小于屈曲临界温度时,受火过程对轴向约束钢柱的轴压承载力没有影响;当过火温度大于屈曲临界温度时,钢柱的轴压剩余承载力会明显减小,且随着过火温度的升高,剩余承载力逐渐降低;轴向约束刚度比和长细比对约束钢柱的过火温度为屈曲临界温度时对应的轴压剩余承载力影响显著;荷载比对约束钢柱的过火温度为破坏临界温度时对应的轴压剩余承载力影响明显;高强钢材强度等级对约束钢柱受火后轴压承载力影响较小。根据参数分析所得数据及规律,提出了超500 MPa高强钢轴向约束柱受火后轴压剩余承载力的简化计算方法,将计算结果与有限元分析结果对比,验证了该简化计算方法的可靠性。     

蜂窝梁的稳定性能研究进展

对蜂窝梁破坏模式的研究表明，失稳是其结构性能失效的重要破坏模式。为此，在回顾蜂窝梁结构特性研究的基础上，总结归纳了蜂窝梁失稳的3种主要模式：整体弯扭失稳、梁墩屈曲、畸变屈曲。结合国内外近30多年来对蜂窝梁稳定性的试验研究成果，对影响蜂窝梁稳定性的主要因素进行分析。采用蒙特卡洛法得到纯弯简支蜂窝梁弯扭失稳临界荷载的概率分布和影响因子的敏感度。将部分具有代表性的试验成果与欧洲规范EN 1993-1-1计算结果进行对比，根据中国规范GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》提供的抗力分项系数，计算了不同荷载组合下蜂窝梁整体弯扭失稳临界荷载的可靠度指标，为国内规范的制订提供依据。最后，总结了当前蜂窝梁稳定性研究中存在的不足，指明了进一步研究的方向。     

考虑支座约束影响的大角钢轴压杆失稳形态研究

针对大角钢轴压杆失稳形态这一问题,对90根大角钢构件进行轴压试验,并考虑试验中支座的弯曲转动刚度和扭转转动刚度的影响,对大角钢构件绕非对称轴的弯曲长细比和绕对称轴的扭转长细比进行了修正。研究结果表明:大角钢轴压杆的失稳形态以弯曲失稳为主,对于长细比小于40的大角钢轴压杆可不用验算其弯扭屈曲承载力,仅按弱轴弯曲屈曲计算其承载力便可保障设计安全,对工程设计具有指导意义。     

腹板开孔冷弯卷边槽钢受弯构件弹性屈曲

采用理论和有限元方法分析腹板开孔冷弯薄壁型钢受弯构件弹性整体弯扭失稳、弹性畸变屈曲失稳以及弹性局部屈曲失稳的屈曲荷载。通过理论分析提出计算腹板开孔卷边槽形截面受弯构件弹性整体弯扭失稳、弹性畸变屈曲失稳以及弹性局部屈曲失稳荷载的简化计算方法,通过与有限元计算结果进行对比,近似简化方法计算结果与有限元分析结果比较接近,表明建议弹性屈曲荷载计算方法具有较高的精度,可用于开孔受弯构件整体稳定承载力以及屈曲稳定系数的计算,能够代替复杂的有限元方法进行开孔构件弹性屈曲荷载的简化计算,易用于工程设计。     

腹板加劲冷弯薄壁拼合H形钢压弯构件畸变性能试验研究

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能,并评估现行中美规范计算方法适用性,对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验,得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲,畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响;绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究,结果表明：计算绕强轴压弯承载力时,按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全;计算绕弱轴压弯承载力时,试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15,偏于安全且较为合理,与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66,较为保守,建议拼合构件的双肢可靠连接时,按拼合整体截面计算绕弱轴稳定承载力。     

Experimental investigation on distortional performance of cold-formed steel built-up channel columns with web stiffeners under eccentric compression

为研究偏心荷载作用下拼合构件的畸变屈曲性能，并评估现行中美规范计算方法适用性，对22个腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱进行受压性能试验，得到了不同柱长、不同开孔位置及个数、不同偏心距以及绕强轴和弱轴弯曲方向的拼合构件的破坏模式和承载力。试验结果表明：所有腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱均发生了畸变屈曲或以畸变为主的相关屈曲，畸变半波的分布受孔洞和加劲的影响；绕强轴和绕弱轴偏心方向及偏心距大小对承载力有显著影响。基于现行中美规范计算方法对腹板V形加劲及开孔的冷弯薄壁拼合H形钢柱承载力进行研究，结果表明：计算绕强轴压弯承载力时，按GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、JGJ/T 421—2018《冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准》以及美国NAS100-16的承载力公式计算结果均偏于安全；计算绕弱轴压弯承载力时，试验结果与按GB 50018—2002和美国NAS100-16的承载力公式计算结果的比值平均值为1.16、1.15，偏于安全且较为合理，与按JGJ/T 421—2018的计算结果的比值平均值为1.66，较为保守，建议拼合构件的双肢可靠连接时，按拼合整体截面计算绕弱轴稳定承载力。