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卷边槽形冷弯薄壁型钢轴压柱畸变屈曲的试验和理论研究

蒋路  
【摘要】: 随着冷弯薄壁型钢构件朝着高强、超薄和复杂截面形式的趋势发展,畸变屈曲近年来成了国内外冷弯型钢结构研究领域中的重要课题。但直至目前,有关畸变屈曲发生条件、畸变屈曲临界应力f_(od)计算方法以及畸变屈曲与局部屈曲和整体屈曲间相关作用等问题,其研究还很不成熟和全面。 在我国,有关冷弯薄壁型钢轴压柱畸变屈曲性能的研究,无论是针对性试验还是理论分析均很少开展,可供参考的资料不多。因此,现行设计规范GB50018-2002还没有相应于畸变屈曲的设计规定。 伴随畸变屈曲的出现,一种新的冷弯型钢构件承载力计算方法——直接强度法(Direct Strength Method)近年来在国外得到了大量研究,但国内有关直接强度法的研究尚属起步阶段。对直接强度法与有效宽度法的区别以及是否可利用该法来分析研究压杆畸变屈曲发生条件等问题,目前还很少有人研究。 针对上述研究现状,本文采取试验、理论和有限元分析相结合的方法,对压杆畸变屈曲性能、承载力计算、发生条件、临界应力简化计算等一系列问题进行了如下内容的分析研究。 对畸变屈曲及畸变-局部、畸变-整体相关屈曲进行了16根名义屈服强度高达550MPa的高强冷弯薄壁型钢轴心受压固支柱承载力试验。通过试验,发现压杆畸变屈曲时存在三种不同翼缘畸变模式且不同翼缘畸变模式对压杆承载力的影响不同。这些试验现象和试验结果为ANSYS有限元分析以及压杆畸变屈曲承载力计算提供了线索和验证。 对压杆试件进行了深入的有限元模拟和分析。首先,通过对高强冷弯型钢压杆畸变屈曲有限元模拟所应采取的材料本构关系、输入几何缺陷大小等进行研究,建立了ANSYS有限元模型。然后,利用试验现象和试验结果对该有限元模型进行了验证。最后,通过已被试验结果证实为正确的有限元模型对压杆畸变屈曲承载力的影响因素包括三种翼缘畸变模式、初始几何缺陷大小、初始几何缺陷形状、构件长度等进行了大量参数分析。 通过直接强度法计算结果与试验和有限元分析结果的比较分析,发现压杆畸变屈曲与整体屈曲、局部屈曲间存在相关作用,这些相关作用将降低压杆的畸变屈曲承载力。对于压杆畸变屈曲与整体屈曲间的相关作用,直接强度法D+E公式可以较好地考虑其影响,但对于畸变屈曲与局部屈曲间的相关作用,D+E公式存在不安全性,因而本文提出了建议修正公式,并由试验和有限元结果进行了验证。 借助直接强度法和有限条程序CUFSM对压杆畸变屈曲发生条件进行了深入的分析研究。提出通过新概念“畸变区间”[λ_(max)λ_(max)]和“畸变度”△λ=λ_(max)-λ_(min)来判断压杆畸变屈曲发生条件的分析方法。指出压杆畸变屈曲是否发生首先决定于截面尺寸和形式,其次决定于压杆长度。提出采用指标△_(ld)=f_(ol)-f_(od)来评价截面畸变度△,大小以及将压杆截面畸变度△_λ=0作为不需考虑畸变屈曲的条件。文章还通过分析截面畸变度△,评价指标△_(ld)=f_(ol)-f_(od)的影响因素,指出三种易发生畸变屈曲的截面情形即:a/t、h/b较小,卷边外斜(弯),翼缘、腹板加劲等。 本文最后给出了与板件局部屈曲临界应力公式形式类同的“压杆截面畸变屈曲临界应力实用公式”,并对公式中的翼缘畸变屈曲系数k_d~f在CUFSM程序分析结果基础上进行了回归分析,结果发现:当卷边a/t较小时,翼缘畸变屈曲系数k_d~f与a/t和h/b间均存在较好的线性关系。因而通过数学回归方法提出了f_(od)简化计算公式。公式简单、实用,可供设计、分析参考。


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