冷弯薄壁型钢多卷边组合柱受力性能研究

发布时间：2020-05-26 20:02

【摘要】：近年来,随着“装配式建筑”的提出,钢结构在建筑行业得到迅速发展。相比热轧钢材,冷弯薄壁型钢具有构件轻巧、截面多样化等特点,具有很大的应用价值。本文借鉴钢框架结构体系及轻钢龙骨体系的特点,构建了适用于多层或高层结构住宅的新型组合截面冷弯薄壁型钢框架结构体系,提出适用于该体系具有高承载能力的多卷边组合闭口截面立柱,并结合CUFSM有限条软件对立柱截面抵抗局部和畸变屈曲的能力进行优化,基于优化截面,开展了多卷边组合柱受力性能试验研究,建立了模拟多卷边组合柱受力过程的精确有限元分析模型,并对影响多卷边组合柱屈曲性能的长细比、宽厚比、螺栓间距、偏心受力状态等关键因素进行了参数化分析。最后,提出了适用于多卷边组合柱轴心受压与偏心受压状态下屈曲承载力的直接强度法计算公式。通过上述研究,主要结论如下:(1)多卷边组合闭口截面,由四个相同的冷弯薄壁型钢柱肢通过加入垫板,采用高强螺栓连接的方式组合而成。通过CUFSM有限条软件进行优化后的多卷边组合截面抵抗局部屈曲、畸变屈曲的性能优越。采用该截面形式的多卷边组合柱具有重量轻、承载力高的特性,适合应用于多层框架住宅中。(2)试验结果表明:偏心方向对多卷边组合柱试件的破坏模式影响很大,在弱轴上偏心时试件发生局部压溃的现象,未发生整体弯曲,而轴心受压、强轴上偏心和双向偏心受压试件则发生整体侧向弯曲破坏;多卷边组合柱除破坏截面外的其余区域未出现明显的板件鼓曲的局部屈曲现象。(3)长细比、宽厚比、螺栓间距和偏心受力状态等因素对多卷组合柱的屈曲模式、初始刚度和极限承载力影响较大。尤其,立柱的截面利用率随板件宽厚比的减小而提高,当板件宽厚比在21.1~25.0范围时,截面利用率达到最大并趋于稳定;与完全连接截面相比,螺栓间距越大,其极限承载力下降越多,以螺栓间距为500mm时的屈曲承载力为基准,给出了轴压试件承载力与螺栓间距、长细比相关的修正系数β;立柱极限承载力随偏心距的增大而降低,偏心距相同时,随偏心角的增大而提高。(4)北美规范(AISI S100-2012)中直接强度法公式对常用范围内的轴心受压多卷边组合柱整体屈曲承载力计算偏于不安全,依据分析结果,给出了修正系数γ;对于绕强轴、弱轴受弯的多卷边组合柱,北美规范对螺栓间距为500mm时的整体屈曲承载力计算结果与实际符合较好,不需要修正,并以此为基准,提出了多卷边组合柱绕强轴、弱轴受弯屈曲承载力与螺栓间距相关的修正系数β_x、β_y。(5)北美规范对于多卷边组合柱局部屈曲承载力的计算结果与实际偏差较大,规范计算值均相当保守。基于分析结果,拟合了适用于多卷边组合柱轴心受压、绕强轴、弱轴受弯的直接强度法公式,并对公式进行组合,得到立柱偏心受压状态下的直接强度法公式。将拟合公式计算值与试验值、有限元分析结果进行对比,结果表明:本文拟合的直接强度法公式能够较好地预测常用多卷边组合柱在轴心受压和偏心受压状态下的屈曲承载力。
【图文】：

轻钢龙骨体系,冷弯薄壁型钢

冷弯型钢在成型过程中因冷作硬化的影响，钢材屈服点显著提高，，即所谓的冷弯效应。这些都对构件的受力性能有利，可以减轻结构自重，节省钢材。所以，冷弯薄壁型钢构件在受力机理上是合理的，具有很大的应用价值。19 世纪中叶，冷弯薄壁型钢开始应用到建筑结构中，但直到 1946 年美国钢铁学会（AISI）正式颁布世界上第一部冷弯薄壁型钢结构设计规范，其在工业及民用建筑中的应用才开始广泛起来。据相关报导[1, 2]，冷弯薄壁型钢在美国占据了大概 45%的建筑用钢市场，其中在夏威夷州，超过 50%的居民住宅采用冷弯薄壁型钢建筑结构[3]。此外，在英国、日本和澳大利亚等国家，冷弯薄壁型钢也得到了广泛应用。20 世纪 60 年代由于外援工程的需要，我国才开始研究冷弯薄壁型钢结构的设计方法。1969 年我国制定国家标准《弯曲薄壁型钢结构技术规范》（草案），继而正式颁布《薄壁型钢结构技术规范》（试行）。近些年，随着装配式住宅和建筑工业化的提出，钢结构在建筑行业得到迅速发展，冷弯薄壁型钢作为钢结构住宅体系的重要组成部分，得到了一定程度的应用。现阶段，冷弯薄壁型钢住宅主要应用于低层的别墅住宅或商业建筑，一般均在四层以下，以 1~2 层最为普遍，结构形式主要为轻钢龙骨体系（如图 1.1）。

柱截面形式,货架,体系,构件

图 1.3 钢货架体系常用多卷边欧姆柱截面形式，冷弯薄壁型钢构件的承载性能具有以下特点：件的破坏模式呈现复杂化，立柱承载力由稳定承整体屈曲、局部屈曲和畸变屈曲[4]。屈曲后强度的构件的一个特点。因此，对于冷弯薄壁构件，其到整体屈曲、局部屈曲以及畸变屈曲中两者或三骨体系中的构件形式，由于构件厚度较薄，而长面外的屈曲承载力较小，易发生平面外失稳和局中常用的冷弯薄壁开口截面构件而言，多卷边增大比，使局部屈曲承载力增加，但开口的形式造成了曲。型钢多卷边组合闭口截面立柱形式目前，适用于多、高层结构的冷弯薄壁型钢结构体地资源的日益匮乏，适用于低层的轻钢龙骨住宅体以冷弯薄壁型钢材料为主的多层结构体系显得尤为
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU392.1

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