单轴对称冷弯薄壁型钢受压构件稳定性能分析与试验研究

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稳定问题在冷弯薄壁型钢结构设计中占有重要地位。不断推陈出新的截面形式和超薄、高强钢材的应用,带来了许多新的稳定问题,如不同截面形式受压构件的局部、畸变和整体相关屈曲下的极限承载力问题,以及相应屈曲模式对构件变形性能的影响问题等。目前,对某些新型截面形式受压构件稳定性能的理论和试验研究成果还比较少见。  薄壁构件的稳定问题异常复杂,现有国内外的相应规范均采用有效截面法进行冷弯薄壁构件的设计。然而,该方法没有仔细考虑畸变屈曲对构件稳定性能的影响,且其确定有效截面及其几何特性的计算过程非常繁琐,从目前截面形式复杂化的发展趋势来看,该方法已显露出了它的不足。1998年美国学者提出了采用全截面性能对薄壁构件的极限承载力进行计算的直接强度法(DirectStrengthMethod简称DSM)。但是,该方法目前只能解决几类特定截面形式和边界条件的构件计算,如轴压简支柱和简支纯弯梁的极限承载力计算。对于一些新的截面形式以及更为复杂的受力状态、边界条件,还没有相应的研究报导。如何将该方法进一步完善,并建立与之相适应的冷弯薄壁构件直接变形计算方法(DirectDeflectionMethod简称DDM),是当前所面临的重要问题。  本课题采用试验与理论分析相结合的方法,以设计应用为目标,针对上述问题开展了较系统的研究,较全面地掌握了单轴对称冷弯薄壁型钢受压构件的稳定性能,进一步完善了此类构件的极限承载力简化计算方法,并初步探索了其整体变形的实用计算方法,为深入研究和工程应用创造了条件。  针对目前斜卷边槽钢简支构件承载力方面的试验资料比较缺乏,本文进行了38根轴心受压、偏心受压斜卷边槽钢简支柱的承载力试验研究。通过试验研究,得到了卷边弯起角度、构件长度、荷载作用位置等对构件稳定性能的影响规律。此外,在考虑几何与材料非线性的情况下,将ANSYS有限元程序分析结果与试验结果进行了对比,两者吻合良好。为后续理论研究工作的进一步开展打下了良好的基础,并提供了有力的试验依据。  在此基础上,分别对斜卷边槽钢、复杂卷边槽钢和弧形卷边槽钢轴心受压简支柱、固支柱以及偏心受压构件进行了大量的有限元参数分析。通过变化截面形式、板件宽厚比、构件长细比、荷载偏心距等参数研究了上述构件的稳定性能,得出了各参数对构件承载力、失稳模式等特性的影响规律。研究表明,卷边形式的不同对构件极限承载力、失稳模式以及整体变形影响显著。针对上述构件的不同特点,及其单位面积下承载能力之间的差别,对各类截面的合理应用范围提出了相应的建议。  针对斜卷边槽钢和复杂卷边槽钢推导了截面各项几何特性的通用简化计算公式,方便了手算求解构件的屈曲应力。以上述研究结果为基础,结合我国的实际情况开展了单轴对称冷弯薄壁型钢轴心受压构件极限承载力的DSM研究。对轴心受压简支斜卷边槽钢柱的极限承载力提出了DSM修正计算方法,验证了DSM关于局部与整体相关屈曲承载力的原有计算公式对复杂卷边槽钢和弧形卷边槽钢仍然有效。此外,提出了轴心受压固支斜卷边槽钢柱、复杂卷边槽钢柱以及弧形卷边槽钢柱极限承载力的DSM修正计算方法。与试验结果的对比证实,本文提出的修正算法与试验结果更为吻合。  建立了普通直角卷边槽钢简支构件截面有效形心偏移的计算方法。在此基础上,提出了对称轴平面内偏心受压状态下,普通直角卷边槽钢简支构件在弯矩作用平面内的稳定承载力DSM计算方法。方法中考虑了局部与整体的相关屈曲以及畸变与整体的相关屈曲,并考虑了截面有效形心的偏移。与试验及有限元分析结果的对比表明,按本文提出的方法来确定有效形心的偏移及偏压构件的极限承载力是行之有效的。所得结论可为今后的工程应用和规范修订提供参考。  开展了对称轴平面内偏心受压的单轴对称冷弯薄壁型钢构件,在弯矩作用平面内的整体弯曲DDM的探索性研究。分析了荷载偏心距、构件长度和截面壁厚等参数对普通直角卷边槽钢、斜卷边槽钢和复杂卷边槽钢偏压构件整体弯曲变形的影响。结果表明,上述参数对整体变形的影响各不相同,很难将它们综合考虑后,建立统一的DDM简化计算公式。本文初步探索了部分情况下偏压构件整体变形的DDM,并提出了相应的变形计算建议公式。
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