腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱畸变屈曲理论分析与试验研究

发布时间：2020-06-02 18:25

【摘要】：冷弯薄壁型钢构件由于壁厚较薄、构件中板件的宽厚比较大,且截面大多为开口形式,所以这类构件由于截面柔弱带来的稳定问题需要在构件设计中重点考虑并解决。畸变屈曲作为有别于局部与整体屈曲的一种屈曲模式,在特定条件下有可能对薄壁构件的设计起控制作用。本文以一种腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱为研究对象,针对柱畸变屈曲的发生机理;畸变屈曲的控制措施以及轴压、偏压柱畸变屈曲临界荷载的简化计算方法等方面的内容进行了试验研究与理论分析,主要完成了以下几方面的工作。1.进行了18个腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱的试验研究,讨论了柱几何长度、荷载作用位置、端部支承条件等因素对柱屈曲模式、破坏模式以及极限承载力的影响。分析了柱在不同情况下各种屈曲及破坏模式的发生机理。试验结果表明:荷载作用位置、端部支承条件对柱的屈曲模式及受压极限荷载影响显著;柱长度仅对其屈曲模式有较显著影响。通过对偏压柱试验结果与已有解析解计算结果的对比,发现解析解的计算公式对于负向偏心受压柱计算误差较大。2.利用有限元软件ANSYS对腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱进行参数分析,考虑了材料非线性与几何非线性,通过变换柱的轴向力偏心距、计算长度、腹板纵向加劲肋刚度、截面高宽比、卷边宽度、初始几何缺陷大小等参数,对186个偏压及轴压柱进行了有限元数值模拟,进一步确定了偏压及轴压柱发生畸变屈曲的决定因素,分析了上述因素对于柱承载力及失稳模式的影响。3.对18个卷边间设有水平缀板的腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱进行了试验研究,讨论了缀板对于不同荷载偏心方向、不同长度试件畸变屈曲的控制效果,研究结果表明:水平缀板对于轴心及正向偏心受压柱的屈曲模式与承载能力有显著影响,但对于负向偏心受压柱承载力的影响十分有限。给出了水平缀板对于负向偏心受压柱与轴心、正向偏心受压柱承载力影响不同的理论解释。4.利用有限元软件ANSYS对不同缀板布置间距、不同缀板布置方式下80个的轴压及偏压柱模型进行了参数分析,进一步讨论了不同的水平缀板间距对于柱屈曲模式、破坏模式、极限承载力的影响。提出了在水平缀板约束不足的情况下增设斜缀板控制正向偏压柱畸变变形的措施。对不同缀板布置方式的控制效果进行了对比。5.利用有限条程序CUFSM对腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱进行参数分析,主要讨论了柱翼缘-卷边组合体尺寸变化、板厚变化以及腹板纵向加劲肋抗弯刚度变化对柱畸变屈曲半波长度λ、临界应力σ_(cr)的影响。通过对有限条程序计算结果的分析与函数拟合,最终给出腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱畸变屈曲临界应力σ_(cr)的修正系数k。提出了腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢偏压柱临界荷载的简化计算公式。通过与国内外已有试验数据的对比,表明修正系数及简化公式具有较好的精度及较广泛的适用性,简化了轴压柱、偏压柱的设计过程,有利于腹板加强型冷弯薄壁卷边槽钢柱在工程实际中的推广应用。
【图文】：

冷弯薄壁型钢,截面形式,建筑结构,构件

1.1.1 课题的研究背景近年来，伴随着改革开放和我国社会经济的发展，发达国家的轻钢结构企业以及相应的技术和产品不断涌入国门，促进了冷弯薄壁型钢结构在中国的迅速发展。冷弯薄壁型钢通常是指厚度在 1.5mm 至 6mm 范围内的钢板或带钢经冷加工（如常温下的弯折、冲压等工艺）成形的不同截面形式的型材。由于冷弯薄壁型钢具有易于生产、材料性能发挥充分、节能环保等特点。因而被广泛用于轻钢结构房屋、输送塔架、工业储物支架等结构体系中作为受力构件使用。与传统意义上的热轧型钢相比，冷弯薄壁型钢通过设计成较为合理的截面形式可以在用钢量较小的情况下获得优异的力学性能（更为开展的截面材料分布带来较大的截面惯性矩和回转半径），因此，自上一世纪 40 年代起至今，随着薄壁型钢冷加工工艺、连接方法的不断改进、高强度板材生产技术的日趋成熟、薄壁构件分析计算理论以及相应设计规范的不断完善，冷弯薄壁型钢结构在工业与民用建筑中的应用逐渐呈现出加速增长态势。国内外建筑结构中常用的冷弯薄壁型钢构件的截面形式如图 1.1 所示[1]。

板状试样,材性,拉伸试验,材性试验

钢材的典型应力应变关系曲线如图 2-3 所示，材性试验结果的平均值见表 2-3。（a）材性试验装置（b）准备好的板状试样图2-2 板状试样材性拉伸试验ε（%）图2-3 板状试件材料的应力-应变关系曲线表 2-3 材性试验结果试件数量屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa弹性模量E /MPa泊松比伸长率 / %6 434 531 1.97×1050.30 24.32σ（MPa）
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU392.1

【参考文献】