不锈钢压弯构件整体稳定性能有限元研究与承载力计算方法

该文采用有限元软件ANSYS建立了焊接不锈钢压弯构件有限元模型,并基于试验结果验证了该模型的有效性。采用经验证的有限元模型分析了残余应力和几何初始缺陷对构件整体稳定性能的影响,并在广泛的截面等级、荷载偏心和长细比组合下进行了参数分析以产生足够的数据点。最后,利用有限元分析结果对我国现行《不锈钢结构技术规程》（CECS 410―2015）中的计算方法进行评价,并给出了提高计算精度的改进方法。结果表明:CECS 410―2015中的计算方法对于不锈钢焊接工字形和箱形截面压弯构件整体稳定承载力的预测均偏于保守,改进的计算方法能够更精确地预测不锈钢焊接工字形和箱形截面压弯构件的整体稳定承载力。     

高强度钢焊接方形截面轴心受压构件的局部和整体相关屈曲

钢结构设计规范GB 50017-2003规定箱形截面轴心受压构件板件宽厚比不应超过40√235/f_y,但实际工程中板件宽厚比达到120,远远超过此值。该文采用ANSYS有限元软件建立模型分析了高强度钢(名义屈服强度为460MPa)宽厚比超限的焊接箱形截面轴心受压构件的极限承载力。分析中考虑几何缺陷(整体、局部初弯曲)和残余应力,以及几何非线性和材料非线性的影响。同时,采用曲线a 代替规范GB 50017-2003中规定的曲线b,用直接强度法对这些构件进行计算,并将计算结果和有限元模拟结果相比较。针对误差较大的压杆,提出修正的直接强度法。研究表明:该文有限元模型能够很好地模拟高强度钢焊接箱形截面轴心受压构件非线性屈曲的性能;对板件宽厚比B/T≥45的轴心受压构件,有限元计算结果和直接强度法计算结果吻合较好,而对B/T<45者,二者相差较大;提出的修正直接强度法和试验结果吻合很好。     

460MPa高强钢箱形截面轴压柱局部稳定有限元分析和设计方法研究

为研究460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部稳定受力性能和设计方法, 该文采用有限元软件ANSYS建立有限元模型, 考虑残余应力和局部初始几何缺陷的影响, 对3组共10个460MPa等边箱形截面轴心受压短柱的局部屈曲进行了有限元分析, 并将极限承载力计算值与试验实测值进行对比, 结果证明该模型能够准确分析计算460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱的局部屈曲受力性能。利用该模型进行有限元参数分析, 与钢板的宽厚比相比, 钢板厚度、钢板长宽比、残余压应力值和局部初始几何缺陷幅值等因素对局部屈曲受力性能的影响都很小。将试验实测值和参数分析的结果与中国、美国和欧洲钢结构设计规范中箱形截面局部稳定设计曲线进行对比, 表明现行规范的设计方法不够安全。该文提出的建议设计公式适用于460MPa高强度钢材等边箱形截面轴心受压柱局部屈曲极限应力的设计计算。     

不锈钢焊接箱形截面压弯构件弯曲屈曲试验研究

为了研究不锈钢焊接箱形截面压弯构件的弯曲屈曲,该文对5根奥氏体型和5根双相型不锈钢焊接箱形截面柱进行了偏心受压试验,试件长细比在55~85,荷载偏心距分别设计为50 mm、60 mm、70 mm,并且在试验前对试件的初始弯曲和荷载初偏心进行了测量。根据试验结果对构件静力承载性能进行了分析,并将试验结果分别与CECS 410:2015《不锈钢结构技术规程》和欧洲规范EN 1993-1-4中不锈钢压弯构件承载力的计算值进行了对比。结果表明:所有构件均发生平面内的整体弯曲失稳,且整体失稳前没有发现明显的局部板件屈曲;构件承载力随着偏心距、长细比的增大而降低;对于双相型不锈钢压弯构件,依据CECS 410:2015和EN 1993-1-4的计算值较试验结果均偏于安全;对于奥氏体型不锈钢压弯构件,依据EN 1993-1-4的计算值较试验结果均偏于安全,依据CECS 410:2015的个别试件计算结果略低于试验结果,但整体偏于安全。     

不锈钢工字形截面轴心受压构件整体稳定性能有限元研究

该文采用通用有限元软件ANSYS对奥氏体和双相体两种不锈钢材料的不锈钢工字形截面轴心受压构件的整体稳定性能试验进行了数值模拟。在建立有限元模型的过程中考虑了材料的非线性本构模型、构件的初始几何缺陷、残余应力,并分别对工字形构件绕强轴失稳与绕弱轴失稳形式进行了分析。通过有限元模拟得到的极限承载力、试验测量的极限承载力以及规范计算的极限承载力进行对比可知:该文的有限元方法能够准确模拟不锈钢轴心受压构件的受力情况;同时,对于工字形构件,残余应力对绕弱轴失稳构件的稳定承载力的影响较大;此外,GB50017-2003不适用于不锈钢整体稳定性设计。     

Q345GJ钢(中)厚板H形及箱形柱残余应力与轴压稳定承载力分析

采用条形切割法对三种截面规格的Q345GJ钢焊接H形和箱形截面残余应力进行测试,通过MATLAB拟合得到其简化的多折线分布模式,并与规范所取残余应力分布模式对比。对9根焊接H形和3根焊接箱形（中）厚板足尺构件进行轴压试验,获得构件整体稳定承载力。引入实测残余应力,通过ABAQUS进行Q345GJ钢轴压柱有限元分析,并与试验结果、规范计算结果进行对比,同时开展参数化分析获得轴压构件稳定曲线。试验及分析结果表明:Q345GJ钢H形和箱形截面采用多折线简化分布模式更符合残余应力实测结果;Q345GJ钢（中）厚板H形截面翼缘采用不分层或考虑分层的残余应力简化模式,对于构件绕弱轴稳定承载力影响不大;Q345GJ钢H形截面实测残余应力分布模式在翼缘自由端处与规范有较大区别,构件在正则化长细比为0.4~1.1区段的稳定承载力有下降趋势。     

卷边槽钢偏心受压构件极限承载力的直接强度计算方法研究

直接强度法是确定薄壁构件承载力非常有效的一种新方法。利用ANSYS分析确定了卷边槽钢截面的有效形心偏移量,并建立了有效形心偏移的计算公式。在此基础上,提出了对称轴平面内偏心受压状态下,卷边槽钢简支构件在弯矩作用平面内的稳定承载力直接强度计算方法。方法中考虑了局部与整体以及畸变与整体的相关屈曲,并考虑了截面有效形心的偏移。与试验及有限元分析结果的对比表明,用该方法确定卷边槽钢截面有效形心的偏移及偏压构件的极限承载力是可行的。     

冷弯薄壁斜卷边槽钢轴压构件承载力计算的直接强度法研究

为了研究斜卷边槽钢轴压构件承载力的计算方法,并完善和发展直接强度法在我国的应用,利用经试验验证后的大量有限元计算结果,在分析现有国外直接强度法公式基础上结合我国实际,提出了轴压简支斜卷边槽钢柱承载力的直接强度法修正计算公式,并针对固支斜卷边槽钢轴压柱建立了承载力直接强度法计算公式。方法中考虑了局部与整体以及畸变与整体的相关屈曲。与试验及北美规范(NAS 2001)、美国规范(AISI 1996)和澳大利亚规范(AS/NZS 4600)计算结果的对比表明,修正后的计算方法比现有直接强度法及上述规范对构件承载力的预测更为精确,且与试验所得失稳模式更为接近。     

不锈钢焊接截面简支梁非线性变形性能研究

为研究不锈钢梁非线性变形性能,对5根不锈钢焊接工字形截面梁开展三点弯曲加载试验。建立了考虑不锈钢材料非线性、构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型,根据试验结果对数值模型的准确性进行验证。基于验证的有限元模型,对中国CECS 410《不锈钢结构技术规程》和Real-Mirambell建议的不锈钢梁挠度计算方法进行分析。在此基础上,根据平截面假定和不锈钢应力–应变关系曲线,提出不锈钢梁截面屈服弯矩M_0.2的简化计算公式;考虑截面焊接残余应力对梁初始变形刚度的不利影响,提出针对不同材料牌号梁变形刚度的折减系数建议取值,对CECS 410和Real-Mirambell的挠度计算方法进行修正。分析结果表明,修正公式能够准确合理地计算不锈钢焊接工字形梁的挠度。     

波浪腹板变截面压弯构件稳定承载力设计方法和试验研究

波浪腹板变截面压弯构件用做边柱铰接的门式轻钢结构中,主要承担弯矩、剪力与轴力。该文基于现行《门式刚架轻型房屋钢结构规程》CECS102:2002中的相关公式,建立了波浪腹板变截面压弯构件平面内稳定承载力与平面外稳定承载力的设计公式。进行了大量的有限元数值计算,其中通过变化构件的几何设计参数并考虑了各种缺陷(几何初始缺陷与残余应力)的影响,验证了所建立的设计公式的可靠性。进行了两根变截面波浪腹板构件的压弯稳定承载性能的试验研究,考察了其失稳机理及稳定承载力,并与有限元数值分析结果吻合较好。     

波形钢腹板的弹性剪切屈曲强度

波形钢腹板的剪切屈曲模式主要包括局部剪切屈曲模式、整体剪切屈曲模式和合成剪切屈曲模式。弹性局部剪切屈曲强度和弹性整体剪切屈曲强度虽然已经有明确的计算公式,但与实际数值结果相比尚存一定偏差,而对于实际桥梁中可能发生的合成剪切屈曲模式则无准确的计算方法。该文首先建立了计算波形钢腹板弹性剪切屈曲强度的有限元模型,用以研究波形钢腹板的剪切屈曲行为。随后讨论了影响弹性剪切屈曲强度的关键因素,同时对已有建议公式的准确性和合理性进行了评价和验证。最后通过大量数值分析,建议了可以综合考虑三种剪切屈曲模式的波形钢腹板弹性剪切屈曲强度计算公式,公式精度较高,可供工程设计参考,同时为进一步研究波形钢腹板的抗剪强度奠定理论基础。结论     

Q420焊接圆钢管轴心受压稳定性能试验和设计方法研究

该文进行了15个Q420高强度钢材埋弧焊接圆钢管柱轴心受压试验研究,基于试验结果总结了其失稳变形特征,分析比较了15个试件的稳定系数与我国规范柱子曲线计算值的关系,并验证了有限元模型的可靠性。基于有限元参数分析计算结果,对比60个试件的稳定系数与我国规范柱子曲线计算值的关系,对Q420高强度钢材埋弧焊接圆钢管的整体稳定设计方法提出两种建议:一是对于我国规范柱子曲线选择的建议,即对于Q420埋弧焊接圆钢管可以按a类截面计算其稳定承载力;二是更新我国柱子曲线整体稳定系数φ的计算参数α₁、α₂、α₃,建议了一条新的设计曲线。     

Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定性能与设计方法研究

为研究Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能以及完善规范中关于此类构件的设计方法,进行了6根集中荷载作用下Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的整体稳定性能试验,测量了试件的初始几何缺陷和截面残余应力。试验结果表明：当单伸臂梁整体失稳的控制梁段位于简支跨时,单伸臂梁的整体稳定承载力随伸臂长度比的增大而减小,截面高宽比较伸臂长度比对单伸臂梁整体稳定承载力的影响更大。在试验基础上,运用有限元程序创建考虑初始几何缺陷和残余应力的有限元模型对试验进行模拟,模拟结果与试验结果吻合良好;基于试验验证的有限元模型,分析荷载形式、荷载比例、简支跨长度、伸臂跨长度和截面高宽比等因素对Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁整体稳定承载力的影响规律。基于特征值屈曲分析结果,回归出单伸臂梁的弹性屈曲临界弯矩计算公式,并通过对试验结果和有限元参数分析结果的回归提出了Q460高强钢焊接工字形截面单伸臂梁的极限弯矩计算公式。     

超高强度钢材焊接截面残余应力分布研究

超高强度钢材(屈服强度≥460MPa)已经在多个钢结构实际工程中得到应用,但关于其构件截面残余应力以及轴心受压整体稳定性的研究还很少。该文总结了国外已有的超高强度钢材焊接截面残余应力的试验测量结果,针对工字形、箱形和十字形三种焊接截面,分析了截面残余压应力与板件宽厚比的关系,并提出了这三种焊接截面超高强度钢材构件残余应力的分布模型和具体计算公式,为研究超高强度钢材受压构件的整体和局部稳定受力特性提供了前提条件。     

基于钢板屈曲分析的双钢板-混凝土组合剪力墙轴压承载力计算方法

为了考虑钢板屈曲对双钢板-混凝土组合（DSCC）剪力墙的轴压承载力的影响,该文首先以4个组合墙的轴压试验为基础,采用ABAQUS建立DSCC剪力墙的有限元模型。模型中混凝土采用实体单元,钢板采用壳单元,剪力连接件采用非线性弹簧单元SpringA,并考虑了材料非线性和钢板初始缺陷。在验证有限元模型后,研究了不同参数对钢板屈曲的影响,得到了钢板屈曲应力的计算公式。分析结果表明:当钢板出现局部横向贯通屈曲时,破坏模式为屈曲位置的混凝土压碎;当钢板未发生屈曲时,破坏模式为钢板屈服;墙侧面钢板宽度较小时,侧面钢板不会发生屈曲。最后,基于钢板屈曲分析以及构件极限状态下的应力状态分析,提出了新的DSCC剪力墙的轴压承载力计算方法,引入了钢板屈曲的影响。结构表明:对比规范JGJ/T 380―2015采用的计算公式,该文提出的计算方法具有更高的精度和稳定性,可用于DSCC剪力墙的深入研究以及工程设计。     

玻璃纤维增强聚合物复合材料约束壁式钢管混凝土短柱轴压性能试验

为研究玻璃纤维增强聚合物复合材料(GFRP)约束壁式钢管混凝土矩形短柱的轴压力学性能,对1组无GFRP约束试件和2组GFRP约束试件进行静力轴压试验;根据试验结果提出壁式柱的强弱约束模型,并基于双剪统一强度理论建立GFRP约束壁式钢管混凝土柱的轴压承载力计算公式;最后建立有限元模型,将计算结果与试验对比,并进行参数化分析,研究钢材屈服强度和混凝土强度对新型壁式钢管混凝土柱轴压性能的影响。结果表明:壁式钢管混凝土柱最终因柱中混凝土压碎、钢管屈曲、试件变形过大而失效;钢材在试件第二线性段起点处开始屈服,钢材强度得到充分发挥,GFRP能有效提高构件峰值承载力,但延性有所下降;理论公式计算结果与试验值吻合较好;混凝土强度及钢材屈服强度均能有效提高承载能力,且钢材屈服强度对承载力的影响明显大于混凝土强度的影响。