不銹鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性試驗(yàn)和設(shè)計(jì)理論研究項(xiàng)目摘要

本項(xiàng)目結(jié)合國(guó)內(nèi)外不銹鋼結(jié)構(gòu)最新發(fā)展，深入研究不銹鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性承載性能，建立能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)件幾何初始缺陷和殘余應(yīng)力的數(shù)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(jié)合不銹鋼材性試驗(yàn)、截面殘余應(yīng)力測(cè)量和足尺試件軸心加載試驗(yàn)，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(guān)系，建立局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定承載性能的完整設(shè)計(jì)計(jì)算方法，提出柱子曲線（針對(duì)整體穩(wěn)定）。本項(xiàng)目申請(qǐng)人長(zhǎng)期從事鋼結(jié)構(gòu)研究工作，研究成果對(duì)于完善現(xiàn)行不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和理論、確保不銹鋼結(jié)構(gòu)安全性、促進(jìn)不銹鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用具有重要意義，同時(shí)可以推動(dòng)我國(guó)不銹鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范、規(guī)程的編制。該項(xiàng)目研究對(duì)于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)環(huán)境基本國(guó)策以及十二五規(guī)劃降低能耗發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，都具有前瞻性理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本項(xiàng)目采用試驗(yàn)研究、有限元數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，研究不銹鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定承載性能，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 本項(xiàng)目主要針對(duì)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(gòu)件的殘余應(yīng)力分布、局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定。針對(duì)局部穩(wěn)定承載性能，改進(jìn)現(xiàn)有局部穩(wěn)定承載力的計(jì)算公式；對(duì)于整體穩(wěn)定承載性能，提出不銹鋼軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定承載力的計(jì)算公式和相應(yīng)的柱子曲線。 主要包括以下三方面內(nèi)容： （1）對(duì)焊接加工的10個(gè)工字形和8個(gè)箱形截面不銹鋼試件的殘余應(yīng)力大小與分布形態(tài)采用割條法進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)量測(cè)，并對(duì)量測(cè)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)分析。提出構(gòu)件殘余應(yīng)力分布模型。此外對(duì)ECCS所建議的分布模型進(jìn)行了修正，提出了殘余應(yīng)力建議簡(jiǎn)化分布模型圖。 （2）針對(duì)不銹鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定問(wèn)題，首先通過(guò)試驗(yàn)得到不銹鋼材料的力學(xué)特性。同時(shí)對(duì)短柱試件的幾何初始缺陷進(jìn)行了測(cè)量。然后對(duì)28個(gè)工字形和箱形截面不銹鋼短柱試件進(jìn)行了軸心加載試驗(yàn)。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(shí)試件截面的加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出典型的非線性特性?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了有限元模型，對(duì)不銹鋼構(gòu)件局部穩(wěn)定進(jìn)行參數(shù)分析，有限元模型考慮不銹鋼非線性材料力學(xué)性能、截面焊接殘余應(yīng)力、構(gòu)件的局部幾何初始缺陷等因素對(duì)局部穩(wěn)定的影響，同時(shí)通過(guò)參數(shù)分析結(jié)果對(duì)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(qiáng)度法公式。 （3）對(duì)于不銹鋼構(gòu)件的整體穩(wěn)定問(wèn)題，首先對(duì)試驗(yàn)采用的不銹鋼試件的幾何初始缺陷進(jìn)行了測(cè)量。然后對(duì)22個(gè)工字形和12個(gè)箱形截面不銹鋼試件進(jìn)行了軸心加載試驗(yàn)，試件均發(fā)生了整體失穩(wěn)，個(gè)別繞強(qiáng)軸失穩(wěn)的工字形構(gòu)件出現(xiàn)了部分扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。采用經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的有限元方法對(duì)不銹鋼軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性進(jìn)行參數(shù)分析。參數(shù)分析過(guò)程中確定了構(gòu)件幾何初始缺陷、截面殘余應(yīng)力、材料力學(xué)性能、截面寬厚比以及長(zhǎng)細(xì)比對(duì)對(duì)構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力有影響。通過(guò)對(duì)參數(shù)分析結(jié)果提出了柱子曲線并提出了三段式計(jì)算方法。 本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)研究結(jié)合有限元參數(shù)分析的方法對(duì)不銹鋼構(gòu)件的截面殘余應(yīng)力分布、構(gòu)件的局部穩(wěn)定以及整體穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了研究。得到的結(jié)論均進(jìn)行了試驗(yàn)以及當(dāng)前不銹鋼規(guī)范的驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明此結(jié)論可對(duì)不銹鋼構(gòu)件的局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定承載力有更好的預(yù)測(cè)，并可對(duì)當(dāng)前規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)充和修正。 2100433B

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?yàn)檗D(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)中不可避免地包含了噪聲、電磁信號(hào)干擾等超高次諧波分量，使得軸心軌跡的形狀變得十分復(fù)雜，有時(shí)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(hào)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(wèn)題的本質(zhì)；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(wèn)題，因?yàn)椴黄胶饬恳鸬墓ゎl振動(dòng)是一個(gè)弓狀回轉(zhuǎn)渦動(dòng)，工頻的軸心軌跡就應(yīng)該是一個(gè)圓或長(zhǎng)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(huì)變成一個(gè)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(guò)大很簡(jiǎn)便地區(qū)別開(kāi)來(lái)；二倍頻軸心軌跡則可以看出嚴(yán)重不對(duì)中時(shí)的影響方向等。

通過(guò)軸心軌跡圖，還可以判斷轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)是正進(jìn)動(dòng)、還是反進(jìn)動(dòng)。

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一、偏心受壓構(gòu)件的破壞特征

許多偏心受壓短柱試驗(yàn)表明，當(dāng)相對(duì)偏心距較大，且受拉鋼筋配筋率較小時(shí)，偏心受壓構(gòu)件的破壞是由于受拉鋼筋首先達(dá)到屈服強(qiáng)度而導(dǎo)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(shí)有明顯的征兆，橫向裂縫開(kāi)展顯著，構(gòu)件的承載力取決于受拉鋼筋的強(qiáng)度和數(shù)量。

當(dāng)相對(duì)偏心距較小，或雖然相對(duì)偏心距較大，但構(gòu)件配置的受拉鋼筋較多時(shí)，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(cè)的混凝土先被壓壞，受壓鋼筋的應(yīng)力也能達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；而離軸向力較遠(yuǎn)一側(cè)的鋼筋仍可能受拉但并未達(dá)到屈服，但也可能仍處于受壓狀態(tài)。臨破壞時(shí)，受壓區(qū)高度略有增加，破壞時(shí)無(wú)明顯預(yù)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(duì)受壓區(qū)高度來(lái)界定。如偏心受壓構(gòu)件的截面(矩形)應(yīng)變分布，其中ab線表示在大偏心受壓狀態(tài)下的截面應(yīng)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(shí)形成ac所示的應(yīng)變分布狀態(tài)，即當(dāng)受拉鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變ey時(shí)，受壓邊緣混凝土也剛好達(dá)到極限壓應(yīng)變值ehmax=0．003，這就是界限狀態(tài)。若偏心距進(jìn)一步減小或受拉鋼筋配筋量進(jìn)一步增大，則截面破壞時(shí)將形成ab所示的受拉鋼筋達(dá)不到屈服的小偏心受壓狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)入全截面受壓狀態(tài)后，混凝土受壓較大一側(cè)的邊緣極限壓應(yīng)變將隨著縱向壓力N的偏心距減小而逐步下降，其截面應(yīng)變分布如(ae和a"f所示順序變化，在變化的過(guò)程中，受壓邊緣的極限壓應(yīng)變將由o．003逐步下降到接近軸心受壓時(shí)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(shù)乙來(lái)判別兩種不同偏心受壓的破壞形態(tài)：

當(dāng)ζ≤ζjg時(shí)，截面為大偏心受壓破壞；

當(dāng)ζ>ζjg時(shí)，截面為小偏心受壓破壞。

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