基于ECBL理论冷弯薄壁型钢柱构件相关屈曲研究
发布时间：2020-07-18 03:13
【摘要】：冷弯薄壁型钢构件因其自身优越的力学性能,不断成为仓储货架、低层住宅和轻钢厂房等建筑钢结构的重要组成部分,其失效模式和每种模式对应的极限荷载计算,一直是结构工程领域的研究热点。冷弯薄壁型钢柱构件受初始缺陷、截面形式和壁薄等因素的影响,受压会发生局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲以及它们之间的相关屈曲。长期以来,国内外学者就冷弯薄壁型钢柱构件局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲这三种基本屈曲失效模式对承载力的影响进行了广泛而深入的研究,已形成了有效宽度法和直接强度法设计理论。关于冷弯薄壁型钢的相关屈曲研究相对较少,直接强度法中只考虑了局部与整体屈曲的相关作用。现有的试验结果表明,冷弯薄壁型钢构件在压力作用下会发生局部-畸变相关屈曲、畸变-整体相关屈曲、局部-畸变-整体的相关屈曲,且相关屈曲对承载力的影响较明显,在设计时需要重点考虑。钢结构房屋建筑中,为方便电线、水管等生活辅助设施穿过,常在墙立柱腹板上开设孔洞。孔洞的出现会对构件的力学性能产生影响,开孔柱的弹性屈曲应力、屈曲半波长度、屈曲模式以及极限承载力等与未开孔构件有诸多不同。针对上述问题,本文介绍了一种分析冷弯薄壁型钢柱构件相关屈曲的理论—临界分叉荷载侵蚀理论(ECBL理论),该理论考虑了试件在截面屈曲(局部屈曲或畸变屈曲)和整体屈曲(弯曲屈曲,扭转屈曲或弯扭屈曲)失效模式相互作用下的极限承载力,通过评估、量化构件的侵蚀因子(ψ)和缺陷因子(α)使Ayrton-Perry方程表示的屈曲曲线适用于冷弯薄壁型钢构件。并在现有理论和试验数据的基础上,运用有限元软件ANSYS对开孔和未开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱构件的屈曲失效模式和极限荷载的部分影响因素进行了模拟分析。本文的主要内容包括:(1)总结了冷弯薄壁型钢构件的应用情况和基本特点,介绍了冷弯薄壁型钢柱构件各种屈曲失效模式及每种失效模式对应的极限荷载的计算方法的国内外研究现状。基于已有试验结果,验证了本文所建有限元模型的有效性。(2)运用有限元软件ANSYS模拟分析了初始缺陷、开孔率、腹板与翼缘宽度的比值和长度等因素对冷弯薄壁卷边槽钢柱构件的力学性能的影响,并得出部分结论。(3)基于ECBL理论,运用数值模拟和试验的分析方法验证了该理论对固支轴压钢构件的适用性,提出了各截面构件发生最大侵蚀的相关屈曲耦合范围以及更加贴合实际的畸变-整体相关屈曲曲线和局部-畸变-整体相关屈曲曲线。
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU392.1
【图文】：
1.1 冷弯薄壁型钢结构的应用及特点1.1.1 冷弯薄壁型钢结构的应用自 2003 年起，我国钢产量连续多年蝉联世界第一，一度打破了曾因钢产量低而限制建筑结构用钢的局面，为钢结构在各领域的应用提供了前提条件。政府部门不断推出积极的用钢政策，吸引了众多著名的国际钢结构公司相继进驻中国建筑市场，它们在完成大量工程的同时，也带动了国内本土的钢结构公司迅速崛起。这使得作为建筑结构重要类型之一的钢结构在各领域的应用愈加广泛，例如大型的工业厂房、桥梁、住宅、机械和公共基础设施等。伴随着我国生产工艺和加工工艺水平的提高以及轻质、高强钢材的发展趋势，在国内外的发展中轻型钢结构脱颖而出，成为越来越多人关注的焦点。国内外的各类大型建筑结构越来越多的应用轻钢结构，其中冷弯薄壁型钢因其自身诸多突出特点而被广大研究学者所提倡，并广泛应用于各类钢结构。图 1 所示为冷弯薄壁型钢在国内外住宅建筑中的应用。
图 3 建筑结构中的开孔构件Fig.3 The members with holes used in building structure冷弯薄壁型钢柱构件基于上述特点，受压会发生如下失稳模式：局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲这三种常见的单一破坏模式；局部-整体相关屈曲、局部-畸变相关屈曲、畸变-整体相关屈曲等两种模式相互作用的屈曲模式；局部-畸变-整体相关的更为复杂的屈曲模式。1.2.1 整体屈曲的研究冷弯薄壁型钢构件发生整体屈曲时的特点是：任意截面均不发生变形，仍保持平面内刚性，仅横截面产生整体的刚性位移，因此又被称为刚性屈曲。构件的整体屈曲包括弯曲屈曲、弯扭屈曲以及扭转屈曲[6]。早在 18 世纪 40 年代，学者Euler 就对压杆弯曲屈曲的弹性问题有所研究，并指出长细比较大的简支双轴对称截面柱，轴心受压时会在达到全截面屈服前因发生弯曲屈曲而破坏。由此可知，整体屈曲问题是设计冷弯薄壁型钢长柱构件的控制环节。受当时建筑材料强度低、
OST1 和/POST26 查看。在对冷弯薄壁型钢构件进行有限元数值模拟时，最常用的分析方法是：曲分析和考虑构件初始缺陷的几何和材料特性的双重非线性分析。特征析主要对结构在不同长度情况下的屈曲模态和屈曲荷载做基本了解。非分析一般包括两部分：第一部分是对构件进行特征值屈曲分析，以获得件下构件屈曲模态的变形形式，并乘以相应的系数为第二部分提供初始缺部分是计及初始缺陷的几何和材料双重非线性分析，以获得构件的极限应的破坏形式。 有限元模拟和试验的比较本文依据文献[118]中试验的各尺寸截面构件建立有限元模型，并将有限果与试验结果进行比较以验证所建模型的有效性。建立有限元模型的具下：（1）单元类型的选取
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU392.1
【图文】：
1.1 冷弯薄壁型钢结构的应用及特点1.1.1 冷弯薄壁型钢结构的应用自 2003 年起，我国钢产量连续多年蝉联世界第一，一度打破了曾因钢产量低而限制建筑结构用钢的局面，为钢结构在各领域的应用提供了前提条件。政府部门不断推出积极的用钢政策，吸引了众多著名的国际钢结构公司相继进驻中国建筑市场，它们在完成大量工程的同时，也带动了国内本土的钢结构公司迅速崛起。这使得作为建筑结构重要类型之一的钢结构在各领域的应用愈加广泛，例如大型的工业厂房、桥梁、住宅、机械和公共基础设施等。伴随着我国生产工艺和加工工艺水平的提高以及轻质、高强钢材的发展趋势，在国内外的发展中轻型钢结构脱颖而出，成为越来越多人关注的焦点。国内外的各类大型建筑结构越来越多的应用轻钢结构，其中冷弯薄壁型钢因其自身诸多突出特点而被广大研究学者所提倡，并广泛应用于各类钢结构。图 1 所示为冷弯薄壁型钢在国内外住宅建筑中的应用。
图 3 建筑结构中的开孔构件Fig.3 The members with holes used in building structure冷弯薄壁型钢柱构件基于上述特点，受压会发生如下失稳模式：局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲这三种常见的单一破坏模式；局部-整体相关屈曲、局部-畸变相关屈曲、畸变-整体相关屈曲等两种模式相互作用的屈曲模式；局部-畸变-整体相关的更为复杂的屈曲模式。1.2.1 整体屈曲的研究冷弯薄壁型钢构件发生整体屈曲时的特点是：任意截面均不发生变形，仍保持平面内刚性，仅横截面产生整体的刚性位移，因此又被称为刚性屈曲。构件的整体屈曲包括弯曲屈曲、弯扭屈曲以及扭转屈曲[6]。早在 18 世纪 40 年代，学者Euler 就对压杆弯曲屈曲的弹性问题有所研究，并指出长细比较大的简支双轴对称截面柱，轴心受压时会在达到全截面屈服前因发生弯曲屈曲而破坏。由此可知，整体屈曲问题是设计冷弯薄壁型钢长柱构件的控制环节。受当时建筑材料强度低、
OST1 和/POST26 查看。在对冷弯薄壁型钢构件进行有限元数值模拟时，最常用的分析方法是：曲分析和考虑构件初始缺陷的几何和材料特性的双重非线性分析。特征析主要对结构在不同长度情况下的屈曲模态和屈曲荷载做基本了解。非分析一般包括两部分：第一部分是对构件进行特征值屈曲分析，以获得件下构件屈曲模态的变形形式，并乘以相应的系数为第二部分提供初始缺部分是计及初始缺陷的几何和材料双重非线性分析，以获得构件的极限应的破坏形式。 有限元模拟和试验的比较本文依据文献[118]中试验的各尺寸截面构件建立有限元模型，并将有限果与试验结果进行比较以验证所建模型的有效性。建立有限元模型的具下：（1）单元类型的选取
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 周绪红;何子奇;;冷成型钢轴压构件畸变屈曲承载力计算公式研究[J];土木工程学报;2015年02期
2 姚行友;李元齐;;冷弯薄壁型钢卷边槽形截面构件畸变屈曲控制研究[J];建筑结构学报;2014年06期
3 周绪红;苑小丽;徐磊;刘永健;刘z鲩
本文编号：2760321
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