冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲性能研究

发布时间：2020-10-09 07:36

　　本文对冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲性能进行研究,研究内容包括冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲试验研究和数值分析,以及畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲直接强度法研究。在畸变-局部相关屈曲试验研究中,研究了27根名义厚度为1.5mm的冷弯薄壁卷边槽钢柱,试验参数为腹板宽度、卷边宽度和试件长度。试验进行了截面选择、实际尺寸测量、初始几何缺陷测量和材性试验,分析了试件的破坏模式、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线以及极限承载力。发生畸变-局部相关屈曲的试件,均先发生畸变屈曲,当荷载接近极限承载力时,试件上下端板处发生局部屈曲,并由两端向中部延伸,最终试件发生耦合失稳破坏。对于短试件和中长试件,局部屈曲半波长度大约等于腹板宽度;对于长试件,由于畸变屈曲带动腹板凸曲或凹陷,局部屈曲半波长度略大于腹板宽度,且试件中部腹板上凹凸的连续变形不明显。试件极限承载力随试件长度增加有降低趋势,但并不显著,适当增加卷边宽度能有效约束畸变屈曲,从而增加试件的极限承载力。在畸变-整体相关屈曲试验研究中,研究了33根名义厚度为1.5mm的冷弯薄壁卷边槽钢柱。试验进行了截面选择、实际尺寸测量、初始几何缺陷测量和材性试验,分析了试件的破坏模式、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线以及极限承载力。所有试件只发生畸变-整体相关屈曲,试件先发生整体扭转屈曲,随着荷载增加试件发生畸变屈曲,但畸变变形较小,试件最终发生耦合失稳破坏。破坏时,所有试件均出现畸变塑性铰,由于初始几何缺陷以及畸变半波波数等原因,畸变塑性铰并不总在试件1/2高度处。试件的整体半波长度约为试件长度,畸变半波长度约为试件1/3长度。虽然所有试件的弹性局部、畸变和整体屈曲临界应力大致相等,但并未发生局部-畸变-整体三者相关屈曲。在畸变相关屈曲数值分析中,首先基于国内外已有的试验数据,对有限元模型进行合理性及有效性分析,然后对冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲进行参数分析,研究了初始几何缺陷模式、初始几何缺陷数值、钢材屈服强度、板件厚度、试件长度、板件加劲以及边界条件对试件极限承载力和破坏模式的影响。分析结果表明:初始几何缺陷模式对试件的破坏模式起控制作用,初始几何缺陷值越大,试件极限承载力有降低趋势,但并不影响试件破坏模式;钢材屈服强度越高,试件极限承载力越高,但由于弹性临界应力的影响,低屈服强度钢材可能会改变试件的破坏模式;板件越厚,试件的极限承载力就越高,试件越不容易发生局部屈曲;试件长度对试件极限承载力有降低趋势,但对畸变-局部相关屈曲的极限承载力影响较小,对畸变-整体相关屈曲的极限承载力影响较大,且可能会改变试件的破坏模式;腹板加劲能有效阻止板件发生局部屈曲,提高板件的抗弯刚度,从而提高试件的极限承载力,但腹板加劲对阻止截面畸变屈曲和扭转屈曲的贡献较小;简支边界条件相比固支边界条件能改变试件的破坏模式,并能不同程度的降低试件的极限承载力,相比于畸变-局部相关屈曲,畸变-整体相关屈曲的极限承载力下降幅度更大。采用本文试验结果和有限元数据,以及国内外已有的畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲、畸变-整体相关屈曲的试验数据,对现有直接强度法中畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲的极限承载力计算方法的准确性进行验证分析;提出了两种更为简洁的畸变屈曲极限承载力计算方法,建议方法1是基于现行直接强度法中畸变屈曲极限承载力公式形式,建议方法2是基于现行直接强度法中整体屈曲极限承载力公式形式。结果表明,建议方法均能有效地预测冷弯薄壁轴压构件畸变屈曲极限承载力,但建议方法2与试验数据和有限元数据更为吻合,并基于建议方法2,提出了畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲的极限承载力计算方法,且均与试验结果均吻合较好。本文的主要创新点如下:(1)通过试验研究和有限元分析结合的方法对Q235和Q345冷弯薄壁型钢卷边槽形轴压构件畸变-局部和畸变-整体相关屈曲进行系统研究,获得试件的破坏模式和极限承载力,在国内外弥补了畸变相关屈曲在Q235和Q345钢材的试验研究,为国家相关规范的修订提供试验依据。(2)基于直接强度法,提出两种形式更为简洁的畸变屈曲极限承载力计算方法,这两种方法分别基于畸变和整体屈曲极限承载力计算公式形式,二者与试验和有限元结果吻合良好,并基于建议方法2提出畸变相关屈曲极限承载力计算方法。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU392.1
【部分图文】：

冷弯薄壁型钢,房屋

以推进建筑产业现代化为抓手，全面提高建筑工程的质量、效益和效率，降低能耗，减少污染，从而实现建筑业节能减排和可持续发展。这份“发展规划”为我国冷弯型钢产业提供了重要的指导性意见和发展机遇，也为国人了解冷弯薄壁型钢提供途径。冷弯薄壁型钢是指在常温状态下，将钢板或带钢通过辊轧或冲压弯折成各种断面形状的成品钢材。它通过采用高屈服强度的钢材和改变截面形状，从而使结构或构件的极限承载能力得到提高，是一种高效、绿色环保的建筑材料。相比于混凝土、砖、木材料等传统建筑材料，冷弯薄壁型钢具如下优点：一是结构或构件自重轻，可以节约钢材和运输费用，抗震性能优越；二是便于安装，施工周期短，可以实现工业化生产；三是有利于生态环境保护，符合环保、绿色建筑的要求。因此，它被广泛的用于建筑业、汽车业、农机业、机械制造业、造船业、国防工业、电力电气业、物流仓储业以及家电业等。在房屋建筑中，冷弯型钢主要用于檩条、门窗、楼面板、屋面板、墙面板等非承重构件，也用于柱、梁、桁架、刚架等承重构件[1-2]。

初始几何缺陷,试件

为了方便测量试件的初始几何缺陷以及后续观察试验现象，测量前利用白色油漆笔对所有试件的外表面进行网格划分，网格划分规则如下：沿试件横向将试件的腹板均分为 4 份，翼缘均分为 3 份，卷边分为 1 份；沿试件长度方向每隔 100mm将试件均分为若干份。所有试件以网格点为测量点进行初始几何缺陷的测量。试件的局部和整体初始缺陷均采用百分表进行测量，畸变初始缺陷采用倾角仪进行测量。初始几何缺陷测量见图 2.4。（a）局部初始缺陷测量

示意图,拉伸试验,钢材,材性试验

图 2.6 材性试验板件拉伸标准件几何参数示意图Fig. 2.6 Dimensions of standard tensile coupon材性试验板件拉伸标准件的拉伸试验在重庆大学岩土馆进行，试验设备采用为 CMT5504 的微机控制电子万能试验机。为了获得钢材弹性模量和泊松比前在材性试验板件拉伸标准件中央一侧贴上相互垂直的两个应变片。试验时引伸计测量试件标距段内的伸长变形，达到引伸计限值后，立刻取下引伸计，止引伸计损坏。所有材性试件在拉伸试验过程中均出现了明显的颈缩现象。拉伸试验装置及试验后的材性试件如图 2.7 所示，材料的应力-应变曲线如图示，钢材拉伸试验结果的平均值见表 2.4。材性试验板件拉伸标准件(标准件数量n=6个)

【参考文献】