循環(huán)荷載作用下變截面H型鋼構(gòu)件的非線性相關(guān)屈曲研究

變截面H型鋼構(gòu)件是輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中廣泛采用的構(gòu)件形式，研究其在循環(huán)荷載作用下的相關(guān)屈曲性能對推動輕型鋼結(jié)構(gòu)在我國的大力發(fā)展、完善我國抗震設(shè)計理論和抗震設(shè)計方法具有重要論意義。本項目將完成變截面H型鋼構(gòu)件的擬靜力實驗；建立循環(huán)荷載下變截面H型鋼構(gòu)件的分析模型；確定變截面H型鋼構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下局部屈曲和整體屈曲的相互影響規(guī)律以及破壞機理；明確變截面H型鋼構(gòu)件相關(guān)屈曲性能的影響參數(shù)；歸納循環(huán)荷載作用下變截面H型鋼構(gòu)件相關(guān)屈曲性能的簡化表達(dá)方法；建立可用于門式剛架結(jié)構(gòu)抗震分析的變截面H型鋼構(gòu)件的計算模型；提出具體的抗震建議。

薄壁截面特性使冷成型鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)力學(xué)行為更加復(fù)雜，開口截面冷彎薄壁型鋼構(gòu)件更容易發(fā)生局部、整體和畸變屈曲。局部和畸變都具有屈曲后強度，在一定條件下會與其他屈曲模式相關(guān)，且相關(guān)屈曲的極限承載力較低。國內(nèi)外學(xué)者對于畸變屈曲方面的研究還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識，特別是畸變與整體相關(guān)屈曲的研究未系統(tǒng)開展。本項目對冷彎薄壁型鋼受壓構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲性能進(jìn)行研究，對其失穩(wěn)力學(xué)機理、破壞模式、極限承載力進(jìn)行研究。建立了畸變與整體相關(guān)屈曲模式的理論分析模型；提出了識別畸變屈曲、整體屈曲、畸變與整體相關(guān)屈曲的判定準(zhǔn)則，給出了相應(yīng)的臨界條件；提出了畸變與整體相關(guān)屈曲的設(shè)計理論和簡化計算方法。 （1）通過有限元精細(xì)化分析模型對冷彎薄壁C型鋼軸壓構(gòu)件進(jìn)行了相關(guān)屈曲模式及其發(fā)生的力學(xué)機理、變形特征；研究了截面幾何參數(shù)對畸變與整體相關(guān)屈曲行為的影響；提出了畸變與整體相關(guān)屈曲的理論分析模型。 （2）對不同截面尺寸的68個冷彎薄壁型鋼構(gòu)件（包括腹板開洞情況）進(jìn)行極限承載力試驗研究。研究了構(gòu)件畸變屈曲后與整體屈曲相互作用的承載力性能；研究了構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲的變形模式、截面幾何參數(shù)對畸變與整體相關(guān)屈曲行為的影響，畸變屈曲后與整體屈曲相互作用的極限承載力。 （3）研究畸變與整體相關(guān)屈曲構(gòu)件的設(shè)計理論與設(shè)計方法。對當(dāng)前國際上流行的直接強度法（DSM）畸變與整體相關(guān)屈曲計算公式，通過收集實驗數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的設(shè)計理論和計算方法，并給出了判定準(zhǔn)則。 2100433B

薄壁截面特性使冷成型鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)力學(xué)行為更加復(fù)雜，開口截面冷彎薄壁型鋼構(gòu)件更容易發(fā)生局部、整體和畸變屈曲。局部和畸變都具有屈曲后強度，在一定條件下會與其他屈曲模式相關(guān)，且相關(guān)屈曲的極限承載力較低。由于畸變屈曲行為的復(fù)雜性，國內(nèi)外學(xué)者對于畸變屈曲方面的研究還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識。目前的研究主要集中于畸變屈曲，而對畸變相關(guān)屈曲的研究仍不深入系統(tǒng)，特別是畸變與整體相關(guān)屈曲的研究還未系統(tǒng)開展。本項目將對冷彎薄壁型鋼受壓構(gòu)件畸變與整體相關(guān)屈曲進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。采用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對其失穩(wěn)力學(xué)機理、破壞模式、極限承載力進(jìn)行研究。建立畸變與整體彎曲、扭轉(zhuǎn)、彎扭相關(guān)屈曲模式的理論分析模型，明確其力學(xué)機理和變形特征；提出能識別畸變屈曲、整體屈曲、畸變與整體相關(guān)屈曲的判定準(zhǔn)則，給出相應(yīng)的臨界條件；提出畸變與整體相關(guān)屈曲的設(shè)計理論和簡化計算方法。

本項目針對開口超薄壁型鋼構(gòu)件彈塑性畸變屈曲機理及其設(shè)計理論中若干關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，主要包括開口超薄壁型鋼構(gòu)件彈塑性畸變屈曲機理及其分析理論、協(xié)調(diào)變形模式下考慮畸變屈曲和局部屈曲相關(guān)作用的一體化分析理論、畸變屈曲與局部屈曲相關(guān)作用分析理論、以及開口超薄壁型鋼構(gòu)件畸變屈曲臨界條件和有效控制措施。目前，項目已完成全部預(yù)訂研究計劃，部分工作開展了更為深入的研究。 首先，本項目完成了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件軸壓（S350試件繞弱軸失穩(wěn)19個，繞強軸失穩(wěn)4個；LG550試件繞弱軸失穩(wěn)44個，繞強軸失穩(wěn)19個）和偏壓試驗（S280試件荷載偏向腹板11個，偏向卷邊10個，繞強軸失穩(wěn)37個；S350試件荷載偏向腹板19個，偏向卷邊7個，繞強軸失穩(wěn)7個；LG550試件荷載偏向腹板14個，偏向卷邊16個，繞強軸失穩(wěn)18個），揭示了冷彎薄壁型鋼開口截面構(gòu)件的失穩(wěn)破壞模式，為畸變屈曲受力性能分析提供了堅實的試驗基礎(chǔ)。 其次，本文基于能量法，提出局部屈曲和畸變屈曲相關(guān)屈曲的分析方法，得出了畸變屈曲彈性及彈塑性屈曲應(yīng)力的計算公式以及畸變屈曲半波長的計算公式，提出了不考慮腹板相關(guān)作用的邊緣加勁板件的屈曲穩(wěn)定系數(shù)，并分別考慮最大應(yīng)力作用于卷邊側(cè)和最大應(yīng)力作用于腹板側(cè)的情況。比較分析表明，該系數(shù)表達(dá)式具有很好的精度和適用性，且與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的處理方法相一致。同時，也可方便地對畸變屈曲和整體失穩(wěn)相關(guān)作用的承載力進(jìn)行分析計算。在此基礎(chǔ)上，對于卷邊槽形截面構(gòu)件，采用有效寬度法，建立了同時考慮畸變屈曲、整體屈曲和局部屈曲的承載力統(tǒng)一計算方法。 最后，基于上述理論，對控制畸變屈曲發(fā)生的構(gòu)造措施及設(shè)計原則進(jìn)行了試驗研究和理論分析，提出了不同基本構(gòu)件不發(fā)生畸變屈曲時對卷邊尺寸的要求限值，驗證了在構(gòu)件的卷邊間加設(shè)綴板以控制畸變屈曲發(fā)生的有效性及設(shè)計原則，對工程設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。 基于課題研究成果，已發(fā)表英文期刊論文1篇、錄用1篇；中文期刊論文3篇、錄用3篇。培養(yǎng)博士生1名、碩士生4名。研究成果為正在修編國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018）、國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》（JGJ227-2011）及上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《輕型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-2089-2012）所采納。 2100433B