冷弯薄壁卷边C形截面腹板局部受压承载力研究及设计建议

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冷弯薄壁卷边C形截面构件通常用作轻钢房屋的楼面梁及檩条等。由于受截面形状卷边的限制,其横向加劲肋安装困难且不经济,因此冷弯型钢梁在支座或集中荷载作用处通常不设加劲肋,设计时有必要确定腹板局部受压承载力。本文以翼缘转动受约束情况下冷弯薄壁卷边C形截面构件为研究对象,研究了其在端部一侧及两侧翼缘(EOF&ETF)、中部一侧及两侧翼缘(IOF&ITF)四种受力工况下的腹板局部承压性能,最终得到了四种工况下局部受压承载力的计算方法。采用ABAQUS有限元分析软件建立了冷弯薄壁卷边C形截面腹板局部承压的数值模型,并基于国际上最新试验结果,从极限承载力、荷载—位移曲线及破坏模式等角度验证了有限元模型的正确性和适用性。通过对涉及C形截面参数如内弯角半径、腹板高度、支承长度及屈服强度进行无量纲变参分析,得到了一系列有价值的结论,如弯角的存在促使构件过早地进入了弹塑性受力状态,降低了构件的承载力;腹板高厚比与承载力呈现非单调关系,这一点与北美规范计算公式中对这一参数的表达并不一致;支承长度的差异明显改变了构件的破坏模式。通过将数值分析结果与现行北美冷成型结构设计规范AISI S100-16计算值进行对比,发现将该公式应用于我国常用构件截面及材料属性时,其在EOF及IOF工况下大多偏于保守,但在ITF工况下偏不安全,而在ETF工况下计算结果与实际偏差较大,这说明了由于截面几何及材料属性差异使得将北美规范相关计算公式直接引入我国国家标准并不合理;同时误差分析结果也表明,该规范中未考虑的材料屈服强度也是影响其承载力的重要参数。现行主流设计规范中相关计算方法均经有限的试验数据回归分析得到,缺乏与稳定计算相关的理论背景。基于此,本文将直接强度法(DSM)引入卷边C形截面腹板局部受压问题中,以期得到可靠的承载力计算公式。基于经典弹性板件稳定理论分析结果,利用特征值屈曲分析数值修正得到了四种工况下弹性屈曲临界荷载的计算方法;通过假定极限状态下屈服线模式,利用虚功原理推导了四种工况下塑性荷载的计算公式。结果表明,直接强度法对于EOF、ETF、及ITF三种工况均具有良好的适用性,正则化长细比?能够合理反映腹板弹性屈曲对于压屈破坏的贡献;而对于中部一侧受力IOF工况,腹板压屈更多由局部塑性发展控制,板件屈曲对构件破坏的贡献并不大,因而对于稳定与强度两种问题均占主导因素的直接强度法并不适用。源于此,本文对规范公式进行相应改造,给出了IOF工况的承载力计算方法。最后,基于现有可用的试验数据分别对比了建议公式和北美规范计算值,证明了建议公式的计算结果及其背景均较优。
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