不銹鋼軸心受壓構件穩(wěn)定性試驗和設計理論研究

本項目采用試驗研究、有限元數值模擬和理論分析相結合的方法，研究不銹鋼構件的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定承載性能，并提出了相應的設計計算方法。 本項目主要針對建筑工程中常用的奧氏體以及雙相體不銹鋼焊接截面類型（工字形和箱形），研究了不銹鋼軸心受壓構件的殘余應力分布、局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定。針對局部穩(wěn)定承載性能，改進現(xiàn)有局部穩(wěn)定承載力的計算公式；對于整體穩(wěn)定承載性能，提出不銹鋼軸心受壓構件整體穩(wěn)定承載力的計算公式和相應的柱子曲線。 主要包括以下三方面內容： （1）對焊接加工的10個工字形和8個箱形截面不銹鋼試件的殘余應力大小與分布形態(tài)采用割條法進行實際試驗量測，并對量測結果進行歸納總結分析。提出構件殘余應力分布模型。此外對ECCS所建議的分布模型進行了修正，提出了殘余應力建議簡化分布模型圖。 （2）針對不銹鋼構件的局部穩(wěn)定問題，首先通過試驗得到不銹鋼材料的力學特性。同時對短柱試件的幾何初始缺陷進行了測量。然后對28個工字形和箱形截面不銹鋼短柱試件進行了軸心加載試驗。所有試件的破壞形態(tài)均為組成板件發(fā)生局部屈曲失效，同時試件截面的加載應力-應變曲線表現(xiàn)出典型的非線性特性?；谠囼灁祿炞C了有限元模型，對不銹鋼構件局部穩(wěn)定進行參數分析，有限元模型考慮不銹鋼非線性材料力學性能、截面焊接殘余應力、構件的局部幾何初始缺陷等因素對局部穩(wěn)定的影響，同時通過參數分析結果對截面中的加勁和非加勁板件提出了受壓臨界寬厚比建議取值，并給出了建議有效寬度法公式以及直接強度法公式。 （3）對于不銹鋼構件的整體穩(wěn)定問題，首先對試驗采用的不銹鋼試件的幾何初始缺陷進行了測量。然后對22個工字形和12個箱形截面不銹鋼試件進行了軸心加載試驗，試件均發(fā)生了整體失穩(wěn)，個別繞強軸失穩(wěn)的工字形構件出現(xiàn)了部分扭轉的現(xiàn)象。采用經試驗驗證的有限元方法對不銹鋼軸心受壓構件的整體穩(wěn)定性進行參數分析。參數分析過程中確定了構件幾何初始缺陷、截面殘余應力、材料力學性能、截面寬厚比以及長細比對對構件的整體穩(wěn)定承載力有影響。通過對參數分析結果提出了柱子曲線并提出了三段式計算方法。 本項目通過試驗研究結合有限元參數分析的方法對不銹鋼構件的截面殘余應力分布、構件的局部穩(wěn)定以及整體穩(wěn)定問題進行了研究。得到的結論均進行了試驗以及當前不銹鋼規(guī)范的驗證，驗證結果表明此結論可對不銹鋼構件的局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定承載力有更好的預測，并可對當前規(guī)范進行補充和修正。 2100433B

本項目結合國內外不銹鋼結構最新發(fā)展，深入研究不銹鋼軸心受壓構件穩(wěn)定性承載性能，建立能夠準確模擬構件幾何初始缺陷和殘余應力的數值模型，研究材料類型、截面形式、板件寬厚比、焊縫類型、板件切割工藝等因素的影響。結合不銹鋼材性試驗、截面殘余應力測量和足尺試件軸心加載試驗，提出不銹鋼軸心受壓鋼柱局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定承載力與初始缺陷之間的定量關系，建立局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定承載性能的完整設計計算方法，提出柱子曲線（針對整體穩(wěn)定）。本項目申請人長期從事鋼結構研究工作，研究成果對于完善現(xiàn)行不銹鋼結構設計方法和理論、確保不銹鋼結構安全性、促進不銹鋼結構的實際工程應用具有重要意義，同時可以推動我國不銹鋼結構規(guī)范、規(guī)程的編制。該項目研究對于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護環(huán)境基本國策以及十二五規(guī)劃降低能耗發(fā)展目標的實現(xiàn)，都具有前瞻性理論意義和工程應用價值。

軸心軌跡圖有原始、提純、平均、一倍頻、二倍頻、0.5倍頻等多種軸心軌跡，主要看提純、一倍頻、二倍頻的軸心軌跡圖。這是因為轉子振動信號中不可避免地包含了噪聲、電磁信號干擾等超高次諧波分量，使得軸心軌跡的形狀變得十分復雜，有時甚至是非常地混亂。而提純的軸心軌跡排除了噪聲和電磁干擾等超高次諧波信號的影響，突出了工頻、0.5倍頻、二倍頻等主要因素，便于清晰地看到問題的本質；一倍頻軸心軌跡則可以更合理地看出軸承的間隙及剛度是否存在問題，因為不平衡量引起的工頻振動是一個弓狀回轉渦動，工頻的軸心軌跡就應該是一個圓或長短軸相差不大的橢圓，而如果軸承間隙或剛度存在方向上的較大差異，那么工頻的軸心軌跡就會變成一個很扁、很扁的橢圓，從而把同為工頻的不平衡故障和軸承間隙或剛度差異過大很簡便地區(qū)別開來；二倍頻軸心軌跡則可以看出嚴重不對中時的影響方向等。

通過軸心軌跡圖，還可以判斷轉子的渦動是正進動、還是反進動。

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一、偏心受壓構件的破壞特征

許多偏心受壓短柱試驗表明，當相對偏心距較大，且受拉鋼筋配筋率較小時，偏心受壓構件的破壞是由于受拉鋼筋首先達到屈服強度而導致受壓混凝土壓碎，這一破壞稱為大偏心受壓破壞。其臨近破壞時有明顯的征兆，橫向裂縫開展顯著，構件的承載力取決于受拉鋼筋的強度和數量。

當相對偏心距較小，或雖然相對偏心距較大，但構件配置的受拉鋼筋較多時，就有可能首先使受壓區(qū)混凝土先被壓碎。在通常情況下，靠近軸力作用一側的混凝土先被壓壞，受壓鋼筋的應力也能達到抗壓設計強度；而離軸向力較遠一側的鋼筋仍可能受拉但并未達到屈服，但也可能仍處于受壓狀態(tài)。臨破壞時，受壓區(qū)高度略有增加，破壞時無明顯預兆。這種破壞屬于小偏心受壓破壞。

上述二種破壞形態(tài)可由相對受壓區(qū)高度來界定。如偏心受壓構件的截面(矩形)應變分布，其中ab線表示在大偏心受壓狀態(tài)下的截面應變狀態(tài)。隨著縱向壓力的偏心矩減小或受拉鋼筋配筋率的增加，在破壞時形成ac所示的應變分布狀態(tài)，即當受拉鋼筋達到屈服應變ey時，受壓邊緣混凝土也剛好達到極限壓應變值ehmax=0．003，這就是界限狀態(tài)。若偏心距進一步減小或受拉鋼筋配筋量進一步增大，則截面破壞時將形成ab所示的受拉鋼筋達不到屈服的小偏心受壓狀態(tài)。

當進入全截面受壓狀態(tài)后，混凝土受壓較大一側的邊緣極限壓應變將隨著縱向壓力N的偏心距減小而逐步下降，其截面應變分布如(ae和a"f所示順序變化，在變化的過程中，受壓邊緣的極限壓應變將由o．003逐步下降到接近軸心受壓時的0．002。

以上分析表明，可用受壓區(qū)界限高度xjg或受壓區(qū)高度界限系數乙來判別兩種不同偏心受壓的破壞形態(tài)：

當ζ≤ζjg時，截面為大偏心受壓破壞；

當ζ>ζjg時，截面為小偏心受壓破壞。

偏心受壓構件是彎矩(M)和軸壓力(N)共同作用的構件，由于M和N對構件的作用，彼此是相互影響、相互牽制的。例如小偏壓構件，增加軸壓力將會使構件的抗彎能力減??；但大偏壓時，軸壓力的增加，卻會使構件的抗彎能力提高；在界限狀態(tài)時，一般可使偏壓構件抵抗彎矩的能力達到最大值。