冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱有效寬度法和直接強度法計算對比

冷彎薄壁卷邊槽鋼檁條的有效截面分析

為了解腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼構(gòu)件的受壓性能,對8根短柱和中長柱進行了軸心受壓試驗研究。在試驗之前首先用有限條和有限元方法對柱試件進行了詳細的設(shè)計,以確保發(fā)生畸變屈曲失效。柱受壓試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):所有試件均發(fā)生畸變屈曲失效破壞,同時在峰值荷載時中長柱試件有繞弱軸的彎曲產(chǎn)生,畸變屈曲和局部屈曲一樣也有一定的屈曲后強度。在總結(jié)分析現(xiàn)有國內(nèi)外規(guī)范計算理論的基礎(chǔ)上,提出了基于直接強度法設(shè)計腹板v形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓構(gòu)件畸變屈曲承載力的計算方法。采用該建議方法計算所得結(jié)果與試驗值和參數(shù)分析值吻合較好,其設(shè)計過程簡便且安全可靠。

通過計算得到了適合各種彎起角度的斜卷邊槽形截面特性計算公式,方便了手算求解構(gòu)件的屈曲應(yīng)力。采用直接強度計算法對斜卷邊槽鋼軸壓固支柱的穩(wěn)定承載力及破壞模式進行了分析,并與已有的試驗資料進行了對比。結(jié)果表明:直接強度法可以有效地預(yù)測斜卷邊槽鋼軸壓固支構(gòu)件的穩(wěn)定承載力,從而說明了建立在簡支試驗結(jié)果基礎(chǔ)上,經(jīng)回歸得到的直接強度法同樣適用于固支柱穩(wěn)定承載力的計算。

研究了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在高溫下的性能和承載力計算。在試驗基礎(chǔ)上建立了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的有限元模型,模型考慮了局部和整體初始缺陷的影響;利用高強度冷彎薄壁鋼材的高溫材料性能試驗結(jié)果,進行了高強冷彎薄壁卷邊槽鋼柱在均勻溫度和非均勻溫度分布下的性能研究;基于《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》提出了均勻高溫下的承載力計算公式,基于直接強度法提出了非均勻高溫下的承載力計算公式。

隨著高強冷彎薄壁型鋼在建筑業(yè)中的大規(guī)模應(yīng)用,使得構(gòu)件畸變屈曲的出現(xiàn)可能先于板件的局部屈曲,成為構(gòu)件失效控制模式。畸變屈曲的破壞機理不同于局部屈曲,其彈性屈曲應(yīng)力計算過程也大相徑庭?，F(xiàn)有畸變屈曲臨界應(yīng)力的計算公式異常復(fù)雜,在設(shè)計中可以借助數(shù)值分析的方法進行計算。有限條方法和有限元方法是常用的兩種數(shù)值分析方法,采用有限條方法和有限元方法計算了冷彎薄壁型鋼柱構(gòu)件彈性畸變屈曲應(yīng)力和屈曲半波長度,對比研究發(fā)現(xiàn)二者結(jié)果非常接近,均可用于分析柱試件的彈性畸變屈曲。

對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力進行了穩(wěn)定承載力計算,結(jié)果表明:直接強度法可以有效地預(yù)測冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱的穩(wěn)定承載力,與gb50018-2002中的有效寬度法計算結(jié)果和試驗結(jié)果吻合良好且偏于安全。

采用有效寬度法和直接強度法分別對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載能力進行了分析,在此基礎(chǔ)上,對加設(shè)隔板這種加固方式的試驗效果進行比較分析,結(jié)果表明:當(dāng)采用矩形隔板,在1/2～1/3半波間距布置隔板時,為經(jīng)濟有效的布置方式。

采用有限元軟件abaqus對兩端固接的冷彎薄壁槽鋼柱的屈曲性能進行研究分析,探討卷邊形式、卷邊高度和壁厚對槽鋼軸壓柱的屈曲荷載和屈曲模式的影響,從而確定當(dāng)構(gòu)件截面面積不變時對抵抗屈曲最有利的卷邊形式。

為了研究冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件的極限承載力,對13根偏心受壓的冷彎薄壁卷邊槽鋼進行了破壞性試驗,并建立有限元分析方法對試件進行模擬分析,有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好,驗證了有限元方法的有效性;對典型截面構(gòu)件進行大量的參數(shù)分析,研究截面尺寸、長細比、荷載作用點位置及材料特性等因素對卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力的影響,提出了冷彎薄壁卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力計算的折減強度法及其相應(yīng)計算表。結(jié)果表明:利用提出的折減強度法計算卷邊槽鋼偏心受壓構(gòu)件極限承載力具有一定的適用性。

在分析比較有效寬度法(ewm)和直接強度法(dsm)的基礎(chǔ)上,針對q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的極限承載力進行了較深入的探討和對比分析。計算與試驗結(jié)果表明:按冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范(gb50018-2002)計算槽鋼柱是可行的。

畸變屈曲是冷彎型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的重要屈曲模式之一,正逐步受到人們的重視。傳統(tǒng)的有效寬度法難以解決畸變屈曲計算問題,在新近提出的直接強度法中,彈性畸變屈曲應(yīng)力fod的求解是畸變屈曲計算的關(guān)鍵。利用現(xiàn)有文獻數(shù)據(jù),針對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱,分析了截面各種幾何參數(shù)對畸變屈曲應(yīng)力fod的影響,在此基礎(chǔ)上擬合得到了fod的計算式,從而提出可用于直接強度法的卷邊槽形冷彎薄壁型鋼柱彈性畸變屈曲實用計算式。該式不僅簡單實用、物理意義明確,而且具有較高工程精度,既擺脫了對專用計算程序的依賴,又避免了繁瑣的計算。

冷彎薄壁卷邊槽鋼在受力過程中除可能出現(xiàn)整體屈曲和局部屈曲外,還可能出現(xiàn)畸變屈曲。發(fā)生畸變屈曲會惡化構(gòu)件的受力性能,從而降低構(gòu)件的極限承載力。比較研究了5個國家或地區(qū)規(guī)范針對畸變屈曲的設(shè)計計算方法,并對最新的畸變屈曲承載力計算方法研究成果進行歸納,最后就既有的5種考慮畸變屈曲的承載力計算方法與有關(guān)試驗進行對比分析,結(jié)果表明:北美規(guī)范采用的直接強度法適用范圍廣且精度相對較高。

畸變屈曲是冷彎薄壁卷邊槽鋼的一種重要屈曲模式,彈性畸變屈曲臨界應(yīng)力是目前一些主要規(guī)范計算畸變屈曲的關(guān)鍵。該文首先推導(dǎo)出畸變屈曲模式下,構(gòu)件縱向翹曲位移的顯式計算公式,從而簡化計算過程;然后基于經(jīng)典的薄板理論,計算平面內(nèi)位移,確定構(gòu)件平面內(nèi)的變形,在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上得到斜卷邊冷彎薄壁槽鋼軸壓柱彈性畸變屈曲計算公式;最后與有限條法、近似模型計算法進行對比,驗證了該文計算方法的正確和有效性。該文中的彈性畸變屈曲計算公式簡單,便于手算,可供工程設(shè)計人員參考。

文中對應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計算的直接強度法進行了介紹,同時給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構(gòu)件的試驗結(jié)果,利用介紹的直接強度法計算了試驗構(gòu)件的極限承載力。計算結(jié)果表明：應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計算的直接強度法計算構(gòu)件承載力與試驗值比較吻合,且有一定的安全度。應(yīng)用于單孔軸壓構(gòu)件極限承載力計算的直接強度法同樣適用于腹板開多孔構(gòu)件極限承載力的計算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構(gòu)件的工程設(shè)計。

文中對應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計算的直接強度法進行了介紹,同時給出了腹板開多圓孔和多橢圓孔軸壓構(gòu)件的試驗結(jié)果,利用介紹的直接強度法計算了試驗構(gòu)件的極限承載力。計算結(jié)果表明:應(yīng)用于開單孔軸壓構(gòu)件承載力計算的直接強度法計算構(gòu)件承載力與試驗值比較吻合,且有一定的安全度。應(yīng)用于單孔軸壓構(gòu)件極限承載力計算的直接強度法同樣適用于腹板開多孔構(gòu)件極限承載力的計算,可用于冷彎薄壁型鋼開孔構(gòu)件的工程設(shè)計。

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為研究復(fù)雜卷邊槽鋼軸壓固支構(gòu)件的穩(wěn)定性能,選取不同的翼緣寬厚比、截面形式、構(gòu)件長度、卷邊長度等幾何參數(shù),對共計292個構(gòu)件進行非線性有限元分析,研究上述參數(shù)對復(fù)雜卷邊槽鋼固支構(gòu)件穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明:固支構(gòu)件較易發(fā)生畸變屈曲,翼緣寬厚比較大時,構(gòu)件的整體失穩(wěn)模式多為彎扭屈曲。構(gòu)件的極限承載力隨著翼緣寬厚比、構(gòu)件長細比的增大而減小,卷邊對構(gòu)件承載效率的影響隨翼緣寬厚比的不同而呈現(xiàn)兩種不同的規(guī)律。

現(xiàn)行國家規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(gb50018-2002)提出了適用于各種型鋼構(gòu)件板組的約束系數(shù)統(tǒng)一計算公式。針對冷彎薄壁卷邊槽鋼純彎構(gòu)件畸變屈曲運用直接強度法計算受壓翼緣板組約束系數(shù),并與規(guī)范計算結(jié)果比較,得到一些有價值的結(jié)論,供設(shè)計研究參考。

在分析比較有效寬度法(ewm)和直接強度法(dsm)的基礎(chǔ)上,以1mm厚q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱為例,對其極限承載力進行了較深入的探討和對比分析,計算與試驗結(jié)果表明:按gb50018-2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范計算槽鋼柱是可行的。

現(xiàn)行國家規(guī)范《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(gb50018-2002)提出適用于各種型鋼構(gòu)件板組的約束系數(shù)統(tǒng)一計算公式。針對冷彎薄壁卷邊槽鋼純彎構(gòu)件畸變屈曲運用直接強度法計算受壓翼緣板組約束系數(shù),并與gb50018-2002計算結(jié)果比較,得到一些有價值的結(jié)論,供設(shè)計研究參考。

05SG521-4鋼檁條鋼墻梁（冷彎薄壁卷邊槽鋼、高頻焊接薄壁H型鋼墻梁）