广州新电视塔底部透空区外筒群柱面外稳定承载力试验研究

广州新电视塔整体屈曲分析表明,底部透空区外筒的群柱面外失稳是结构设计中的控制因素之一。为能够准确模拟底部透空区外筒中最不利柱的受力特征,通过对3柱、5柱、7柱并联群柱模型以及底部透空区整体模型的稳定承载力分析与比较,确定以5柱并联群柱模型为试验对象。在两种不同轴力比例的加载模式下,对两榀群柱模型进行试验研究,考察最不利柱的稳定承载力、破坏模态及受力机理,探索影响群柱失稳性能的关键因素。试验结果揭示:(1)群柱的轴力分布模式对最不利柱承载力和破坏形式有重要影响;(2)群柱失稳时的相互作用(周边构件对最不利柱的约束作用)可以较大幅度地提高单柱的稳定承载力;(3)群柱失稳时环向构件的弯弓效应会强化柱受到的支撑作用;(4)广州新电视塔外筒结构依据目前斜柱和斜撑与环梁不共面的构件布置形式以及独特的节点构造设计,能够满足面外稳定承载力设计要求。     

三层通高区群柱面外稳定性能与设计方法研究

对带两个等跨布置侧向弹簧支撑的轴压柱(三层通高群柱的面外稳定性等效模型)的研究表明,随着柱子受到支撑作用的增强,柱子最低阶屈曲模态会依次经历单波、双波及三波(完全支撑)三种状态。对于等效模型而言,由于两个弹簧支撑相互独立,其刚度不会随屈曲模态而改变;但是实际三层通高群柱结构中柱子的两个支撑点并非相互独立,对于相同的支撑系统,研究表明柱子单波对称屈曲模态的面外等效支撑刚度要大大弱于双波反对称模态。为此,本文考虑三层群柱面外等效支撑刚度与屈曲模态的相关作用,首先通过理论推导分别建立在单波、双波模态下各柱面外支撑刚度的表达式,实现将柱子的面外稳定性研究模型转化等效单柱模型,进而结合单柱既有研究成果,得到两种模态下柱子弹性屈曲荷载和计算长度系数与等效支撑刚度的关系,并通过弹性屈曲有限元分析验证其准确性;然后,考虑群柱面外几何初始缺陷随机分布的影响,对三层多跨群柱进行二阶弹塑性承载力多参数分析,验证在单波、双波缺陷模式下,按照面外支撑刚度相同的原则,等效单柱模型的轴压稳定设计方法仍然适用于三层多跨群柱的面外稳定性设计。     

广州塔结构稳定性设计分析

广州塔总高600m,为目前世界最高的电视塔。利用ANSYS计算模型对广州塔结构进行了稳定性分析,找到了影响结构稳定性的主要因素,即外框筒节点刚度和透空区长度。通过对比分析,提出了外框筒刚性节点设计要求和合理的透空区支撑布置方式,并采用考虑初始缺陷的非线性稳定分析方法对结构进行了稳定分析。通过试验验证了设计的合理性,保证了结构的安全性。     

广州新电视塔细腰段整体模型稳定性试验研究

广州新电视塔是采用钢结构外框筒和钢筋混凝土核心简组成的筒中筒结构体系,外框筒由斜向布置的钢管混凝土柱、钢管斜撑以及倾斜放置的环向钢管构件构成.整个结构外框筒细长、细腰及扭腰等构成特点,使结构外框筒稳定性设计变得非常复杂.在中部细腰段,内外筒之间仅靠四道水平径向支撑构件连接.因此,细腰段外框筒群柱的稳定性成为控制结构安全的重要因素之一.对细腰段整体模型进行稳定性试验,研究细腰段在恒定轴力和水平风荷载作用下的稳定极限承载力、破坏模态及破坏机理,揭示广州新电视塔外框筒结构存在的群柱失稳现象.详细地阐述试验方案及试验过程,深入分析主要试验结果,相关研究成果为电视塔外框筒结构设计提供重要依据.     

矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱非线性屈曲性能研究

为研究矩形钢管混凝土翼缘的H型蜂窝组合柱(STHCC)的整体稳定性能,以套箍系数、试件长度、名义长细比、混凝土强度等级及截面尺寸为控制参数,设计了30根不同参数的STHCC试件。基于简化的钢材本构模型及考虑套箍效应的混凝土非线性本构模型,利用ABAQUS有限元软件建立19根钢管混凝土柱(CFST)的有限元模型,引入初始缺陷(特征值屈曲一阶模态的1/1 000),开展试件的非线性屈曲分析,将有限元数值解与试验数据进行对比,两者吻合较好,验证了有限元建模方法的合理性。基于此开展30根STHCC试件非线性屈曲分析,提取相应的荷载-位移曲线,考察屈曲荷载随套箍系数、试件长度、名义长细比、混凝土强度等级及截面尺寸的变化规律。结果表明:套箍系数及试件长度对轴压长柱的稳定承载力影响更加明显。最后,依据有限元数值解建立考虑初始缺陷情况下STHCC组合长柱的稳定承载力计算表达式,提出该类轴压长柱的设计方法与设计建议。     

腹板开圆孔冷弯卷边槽钢轴压构件畸变屈曲承载力试验及计算方法

对26根屈服强度为235 MPa的腹板开孔和未开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件进行畸变屈曲承载力试验研究,分析构件的屈曲模式和极限承载力。将我国及北美相关规范计算的构件承载力以及非线性有限元数值模拟结果与试验结果进行分析比较,并对腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件的承载力合理计算模式进行研究。结果表明:对于中等长度腹板开孔冷弯薄壁型钢截面轴压构件主要出现局部、畸变和整体屈曲的相关作用;腹板开孔对构件畸变屈曲稳定承载力有一定的降低作用;采用折减构件有效截面面积的修正方法可计算开孔构件的畸变屈曲稳定承载力;非线性有限元方法可用于腹板开孔冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式和极限承载力的分析。     

广州新电视塔细腰段试验模型的稳定承载力研究

在充分分析广州新电视塔细腰段整体模型稳定性试验研究成果的基础上,确定有限元分析的两种边界条件和三种荷载工况,并建立和试验一致的有限元模型.应用有限元方法对细腰段模型进行二阶弹塑性极限承载力分析,考察细腰段在不同边界条件和荷载工况下的失稳机理及稳定极限承载力,全面地评价结构的安全储备;研究水平径向支撑的有效性和外框筒各类构件的屈服以及破坏顺序,检验结构概念设计的合理性;并将试验加载工况下的分析结果与试验研究结果进行对比分析.较为全面的有限元分析结果可作为试验研究成果的扩充,对于校核电视塔细腰段外框筒结构设计提供理论依据.     

不锈钢芯板结构T形柱轴压性能有限元分析

为探究不锈钢芯板结构作为柱或梁的可行性,研究肢长、面板厚度和芯管壁厚对不锈钢芯板T形柱在轴压作用下稳定性的影响,结合已经完成的不锈钢芯板结构侧压试验,通过有限元计算软件ABAQUS对不锈钢芯板T形柱的轴压性能进行特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。研究表明:T形柱的屈曲模式表现为面板局部屈曲;肢长对稳定承载力有很大影响;随着面板厚度的增大,芯管对面板的约束越来越弱,对其稳定承载力的贡献越来越小;芯管能给面板提供支撑,但芯管壁厚到达一定程度后,厚度的增加对稳定承载力的提升作用不大。     

群柱失稳研究进展

首先对群柱平面内稳定性进行论述,通过算例分析简单阐述了同层框架柱以及层间框架柱的相互作用机理,并对各国学者在此方面的研究工作进行了总结;然后着重讨论了通高区结构群柱面外稳定问题,包括平面框架（矩形通高区）和曲面框架,其中对平面框架的群柱面外稳定设计方法的研究相对成熟,而对于面外支撑效果更强的曲面框架,通过算例分析了其失稳机理;最后对在高层筒中筒结构和塔结构中大量使用的网格式筒壳结构的群柱稳定问题进行了探讨。结果表明:网格式筒壳结构不同于平面框架,其在失稳时表现出明显的空间变形特性,使得网格式筒壳结构群柱面外稳定设计理论的研究变得非常复杂;各国研究成果较少,严重滞后于工程应用,亟待进一步解决。     

薄壁异形截面铝合金轴心受压柱屈曲模态耦合及承载力计算

薄壁异形截面铝合金构件广泛应用于建筑结构中,但其截面的复杂性导致该类构件的破坏模态更加复杂。有限元模型采用有限元软件ABAQUS建立并经过试验结果验证。通过有限元方法,分析了薄壁异形截面铝合金柱的塑性屈服、局部屈曲与塑性屈服耦合、局部屈曲与整体屈曲耦合、以及整体屈曲等4种破坏模式的构件变形和截面应力发展。将有限元方法计算的薄壁异形截面铝合金轴压柱极限承载力,与国内外铝合金结构设计规范的计算结果进行了对比。结果表明,现行规范的设计方法在计算薄壁异形截面铝合金轴压柱的承载力时都较为保守。     

考虑弯矩作用梭形钢格构柱的稳定性能

通过弹性屈曲分析和考虑大变形的弹塑性非线性分析首次考察轴力和弯矩共同作用下梭形钢格构柱的稳定性能。首先提出梭形格构柱截面刚度变化率的概念并分析其弹性屈曲性能,进而考察弯矩作用对梭形格构柱稳定性能的影响,重点分析轴向应力、弯曲应力和剪应力的发展历程,文中还考察了分肢钢管间距及隔板厚度对稳定承载力的影响。结果表明,截面刚度变化率决定桅杆的弹性屈曲模态;屈曲模态为"C"形的桅杆,弯矩作用导致稳定承载力的降低程度小于屈曲模态为"S"形的桅杆;可通过调整分肢钢管间距获得梭形格构柱的最大稳定承载力,相应的分肢间距与"C"形、"S"形屈曲模态转换的临界分肢间距基本一致;增加隔板厚度对提高"S"形屈曲模态桅杆的稳定承载力更为有效。     

Experimental and numerical study on the stability capacity of Q690 high-strength circular steel tubes under axial compression

This paper presents experimental investigation on the local and overall buckling capacity of Q690 high-strength circular steel tubes under axial compression. Coupon tests are undertaken to obtain the Young’s modulus, Poisson’s ratio, tensile yield stress and ultimate tensile strength of Q690 steel material. Forty-two specimens under axial compression are tested to evaluate the buckling behavior and the failure mode. Test results indicate that most of the existing design standards are conservative for the design of Q690 steel tubes. The distribution model of residual stress is measured by cutting ring method. Then, a finite element model based on modified column deflection curve method (CDC) is built to assess the effects of initial imperfection and residual stress on the stability capacity of the steel tubes. Finally, design methods and recommendations are provided for estimating the stability capacity of high-strength circular steel tubes.     

Q420等边角钢轴压杆整体稳定性能试验研究

国内大型输电铁塔中已逐步采用Q420高强度角钢。为研究此类高强度等边角钢轴压杆的整体稳定性能,进行了轴压静力试验研究,试验包括60个试件,截面类型选取了在所有热轧角钢截面中板件宽厚比最大的5种。基于试验结果,研究了Q420高强度等边角钢轴心受压柱的失稳破坏形态和极限承载力,通过计算得到其稳定系数,并与现行钢结构设计规范的柱曲线进行了对比,同时分析了板件宽厚比超限对Q420高强度等边角钢轴压柱失稳破坏形态和稳定承载力的影响。结果表明：该类构件以弯扭失稳为主,根据试验实测得到的稳定系数明显高于现行钢结构设计规范所规定的等边角钢所在的b类截面柱曲线,甚至高于a类截面柱曲线。研究为后续的有限元计算和数值参数分析提供了重要的基础数据,为设计方法提供了参考建议。图11表4参17     

考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的钢筋混凝土柱抗震性能试验研究与非线性分析

基于柔度法的纤维模型能更高效地计算钢筋混凝土柱的材料强非线性受力特征,但不考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型仍将明显降低其受力后期的数值模拟精度。以8根钢筋混凝土柱抗震性能试验结果为基础,在OpenSees平台上采用可以考虑纵筋屈曲、疲劳损伤的钢筋本构模型以及柔度法纤维模型,对柱的滞回性能进行分析。分析结果表明,与小轴压比柱相比,纵筋屈曲对高轴压比柱峰值荷载之后的水平承载力退化影响更明显;对纵筋长径比小于3.0的柱,纵筋屈曲对非线性分析结果的影响可基本忽略;纵筋长径比为5.00~8.75且柱轴压比较小时,纵筋屈曲对分析结果有一定影响,但考虑疲劳损伤的计算结果能更好模拟柱软化段的水平承载力退化特征;柱轴压比较大且纵筋长径比为6.25~7.00时,考虑纵筋屈曲、疲劳损伤均会明显减小承载力退化的计算误差。同时考虑纵筋屈曲及疲劳损伤的分析结果能更好地反映柱的承载力退化特征。     

高强冷弯薄壁型钢轴压柱畸变屈曲研究

550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压柱发生畸变屈曲时会出现三种模式（O—O,O-I,I—I）,考虑材料和几何双重非线性的有限元法对三种畸变屈曲模式的构件承载力、变形模式、畸变屈曲应力、横截面应力的分布等相关性能进行比较分析,可看出三种畸变屈曲模式诸性能存在较大不同,同时畸变屈曲与局部屈曲、整体屈曲在相关性能方面也存在不同。采用直接强度法对畸变屈曲轴压柱极限承载力进行计算,计算结果与试验结果较吻合,故在计算畸变屈曲轴压柱极限承载力时建议采用直接强度法．     

高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压柱畸变屈曲试验研究

本文对550MPa高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲性能进行了试验研究,17根试件的试验结果表明:由于试件局部屈曲一般发生在畸变屈曲之前,促使畸变屈曲提前出现,这种相关作用减弱了构件整体刚度,降低了构件承载力;澳洲规范AS/NZS 4600:1996及北美规范NAS 2004中关于发生畸变屈曲构件承载力的计算方法没有考虑局部屈曲和畸变屈曲相关作用的不利影响。依据试验结果本文提出了一种修正直接强度法的建议计算方法,该法计算结果与试验结果较为接近且偏安全。     

冷弯薄壁复杂卷边槽钢轴压固支构件稳定性能分析

为研究复杂卷边槽钢轴压固支构件的稳定性能,选取不同的翼缘宽厚比、截面形式、构件长度、卷边长度等几何参数,对共计292个构件进行非线性有限元分析,研究上述参数对复杂卷边槽钢固支构件稳定性能的影响。结果表明:固支构件较易发生畸变屈曲,翼缘宽厚比较大时,构件的整体失稳模式多为弯扭屈曲。构件的极限承载力随着翼缘宽厚比、构件长细比的增大而减小,卷边对构件承载效率的影响随翼缘宽厚比的不同而呈现两种不同的规律。     

钢结构集成房屋模块间十字形板-端板连接节点轴压性能研究

现有钢结构模块化建筑的连接节点大多难以用于集成房屋模块间的连接,为此,提出一种十字形板 端板连接件。通过对两个节点试件进行轴压试验,研究节点在轴压荷载作用下的破坏模式和承载力。采用ABAQUS建立试件的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好,验证了有限元模型的正确性。采用该有限元模型分析了十字形板厚、端板厚和柱壁厚等参数对节点轴压承载力的影响。结果表明,柱壁与十字形板厚度的比值影响节点轴压破坏模式,其轴压破坏模式分为十字形板扭转破坏、柱端压屈破坏和两种破坏的组合。采用ANSI/AISC 360-2010中对柔薄板件的计算方法,得到十字形板扭转破坏下的轴压承载力计算公式。通过引入强度折减系数,得到柱端压屈破坏模式下的轴压承载力计算公式。将试验结果和有限元模拟结果进行对比,验证了承载力计算公式的实用性。     

轻钢桁架柱轴压性能试验研究

通过10根轻钢桁架柱的轴压试验,研究了不同长细比和扣板间距等参数对轻钢桁架柱轴压承载受力性能的影响。结果表明:在轴向压力作用下,轻钢桁架柱主要发生弯曲屈曲破坏,且在没有任何侧向约束条件下双管柱不适于承受竖向荷载;轻钢桁架柱的承载力随着长细比的增加而显著下降;扣板间距对轻钢桁架柱的承载力影响不大,但要符合分肢长细比的要求;轻钢桁架柱可视为缀板式格构柱,双管柱按照实腹式轴心压杆的方法计算承载力,四管柱采用换算长细比的方法计算其绕虚轴弯曲屈曲破坏的极限承载力。     

Effect of transverse impact on buckling behavior of compressed column

The effect of transverse impact on the buckling behavior of a column under axial compressive load was numerically investigated with finite-element analysis. An axially compressed column was subjected to transverse-impact that instantaneously reduced its structural stiffness. Due to this impact, the column lost its stability and buckled even when the axial load was lower than Euler's buckling load. A transverse-impact load like a half-sine wave with different peaks and durations was applied to the column. We found that the critical condition to generate buckling was determined by the external work of the transverse-impact load. The velocity of column deformation increased as the maximum load for transverse-impact increased. Therefore, deformation during the post-buckling process might be controlled by transverse-impact.