腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩(wěn)定性能研究.pdf

1、冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼相比,具有許多優(yōu)越之處,正日益廣泛地應(yīng)用于輕鋼貨架、低層住宅以及工業(yè)廠房等建筑結(jié)構(gòu)之中。目前,大部分國(guó)家冷彎薄壁型鋼設(shè)計(jì)規(guī)范中,都采用的是有效截面法設(shè)計(jì)構(gòu)件的承載力,該方法在計(jì)算復(fù)雜截面的有效寬度時(shí)將變得異常繁瑣,并且未考慮畸變屈曲的不利影響。為解決這些問(wèn)題,Schafer和Pek?z提出了直接強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。近年來(lái),在冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面柱中,為提高構(gòu)件局部屈曲承載力,常在腹板上設(shè)置加勁肋。此時(shí),畸變屈曲會(huì)成為

2、此類構(gòu)件的屈曲失效模式之一。
　　為方便水管、電線以及暖氣管道在墻體中通過(guò),常在冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面腹板中預(yù)先開設(shè)孔洞?？锥吹某霈F(xiàn)會(huì)對(duì)構(gòu)件的屈曲失效模式和極限承載力產(chǎn)生影響。開孔試件的屈曲模式、彈性屈曲應(yīng)力以及極限承載力與未開孔柱試件相比存在諸多不同之處。關(guān)于此種開孔柱構(gòu)件的研究,目前大部分都是針對(duì)腹板未加勁卷邊槽形截面柱。為了解開孔腹板加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱試件的穩(wěn)定性能,有必要對(duì)該類型構(gòu)件開展試驗(yàn)和理論研究。
　　本

3、文通過(guò)試驗(yàn)、有限元、有限條以及理論分析的方法,對(duì)Q345材質(zhì)開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的穩(wěn)定性能開展了研究工作。
　　對(duì)兩種截面形式、共計(jì)20個(gè)開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼短柱和中長(zhǎng)柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)試件初始幾何缺陷、截面尺寸以及鋼材材料屬性進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)量。試驗(yàn)中所有柱試件發(fā)生了畸變屈曲失效。在荷載下降段,中長(zhǎng)柱除發(fā)生畸變變形外,還可以觀察到繞弱軸的彎曲?？锥床粌H能改變構(gòu)件的屈曲模式,還會(huì)使中長(zhǎng)柱試

4、件的畸變屈曲半波數(shù)發(fā)生變化。腹板上開有孔洞,加速了畸變屈曲變形的發(fā)展,導(dǎo)致極限荷載下降以及翼緣端部側(cè)向變形增大。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),柱試件畸變初始缺陷越大,對(duì)應(yīng)的極限承載力越小,而畸變屈曲側(cè)向變形越大。另外,對(duì)所有試驗(yàn)試件進(jìn)行了有限元模擬,有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。
　　在試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上,對(duì)Q345材質(zhì)開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱進(jìn)行了大規(guī)模有限元參數(shù)分析。通過(guò)變化柱長(zhǎng)、加勁肋高度、腹板寬度、翼緣寬度、卷邊寬度、

5、孔洞間距以及邊界條件等相關(guān)參數(shù),研究了此類構(gòu)件的穩(wěn)定性能,并對(duì)比研究了相關(guān)參數(shù)變化時(shí)柱試件的極限承載力和屈曲失效模式。有限元參數(shù)分析結(jié)果是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效補(bǔ)充,為后續(xù)設(shè)計(jì)公式的建立提供了理論依據(jù)。
　　彈性屈曲應(yīng)力計(jì)算是冷彎薄壁型鋼構(gòu)件直接強(qiáng)度法應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。按翼緣模型計(jì)算構(gòu)件彈性畸變屈曲應(yīng)力時(shí)需要確定腹板對(duì)翼緣的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度計(jì)算公式較復(fù)雜,求解過(guò)程需要進(jìn)行一次迭代。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,本文提出了冷彎薄壁型鋼卷邊

6、槽形截面柱翼緣轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度簡(jiǎn)化計(jì)算公式。該公式是在Lau和Hancock公式的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB50018—2002)中關(guān)于腹板和翼緣局部屈曲系數(shù)的規(guī)定而導(dǎo)出的,并根據(jù)Lau和Hancock公式計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了修正。與有限條分析值對(duì)比表明:該公式可以準(zhǔn)確、方便地計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度,能夠應(yīng)用于冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面柱的設(shè)計(jì)計(jì)算。孔洞對(duì)開孔冷彎薄壁卷邊槽鋼柱試件彈性畸變屈曲應(yīng)力的影響,可以通過(guò)折減全截面厚度

7、予以考慮。本文提出的彈性局部屈曲應(yīng)力和彈性畸變屈曲應(yīng)力理論計(jì)算公式都與有限條或有限元分析值吻合較好。
　　本文給出了基于直接強(qiáng)度法設(shè)計(jì)理念的軸壓開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱畸變屈曲承載力設(shè)計(jì)公式,其計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果和有限元參數(shù)分析值吻合較好。所得設(shè)計(jì)方法可以為今后設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供參考。
　　有限元參數(shù)分析時(shí),部分試件發(fā)生畸變與局部相關(guān)屈曲。本文經(jīng)分析后指出,除以前學(xué)者們提出的彈性畸變屈曲應(yīng)力與局部屈曲應(yīng)力之比