腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩(wěn)定性能研究.pdf

1、冷彎薄壁型鋼與熱軋型鋼相比,具有許多優(yōu)越之處,正日益廣泛地應用于輕鋼貨架、低層住宅以及工業(yè)廠房等建筑結構之中。目前,大部分國家冷彎薄壁型鋼設計規(guī)范中,都采用的是有效截面法設計構件的承載力,該方法在計算復雜截面的有效寬度時將變得異常繁瑣,并且未考慮畸變屈曲的不利影響。為解決這些問題,Schafer和Pek?z提出了直接強度設計方法。近年來,在冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面柱中,為提高構件局部屈曲承載力,常在腹板上設置加勁肋。此時,畸變屈曲會成為

2、此類構件的屈曲失效模式之一。
　　為方便水管、電線以及暖氣管道在墻體中通過,常在冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面腹板中預先開設孔洞?？锥吹某霈F會對構件的屈曲失效模式和極限承載力產生影響。開孔試件的屈曲模式、彈性屈曲應力以及極限承載力與未開孔柱試件相比存在諸多不同之處。關于此種開孔柱構件的研究,目前大部分都是針對腹板未加勁卷邊槽形截面柱。為了解開孔腹板加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱試件的穩(wěn)定性能,有必要對該類型構件開展試驗和理論研究。
　　本

3、文通過試驗、有限元、有限條以及理論分析的方法,對Q345材質開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的穩(wěn)定性能開展了研究工作。
　　對兩種截面形式、共計20個開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼短柱和中長柱進行了試驗研究。對試件初始幾何缺陷、截面尺寸以及鋼材材料屬性進行了詳細的測量。試驗中所有柱試件發(fā)生了畸變屈曲失效。在荷載下降段,中長柱除發(fā)生畸變變形外,還可以觀察到繞弱軸的彎曲?？锥床粌H能改變構件的屈曲模式,還會使中長柱試

4、件的畸變屈曲半波數發(fā)生變化。腹板上開有孔洞,加速了畸變屈曲變形的發(fā)展,導致極限荷載下降以及翼緣端部側向變形增大。在試驗過程中發(fā)現,柱試件畸變初始缺陷越大,對應的極限承載力越小,而畸變屈曲側向變形越大。另外,對所有試驗試件進行了有限元模擬,有限元分析結果與試驗值吻合較好。
　　在試驗驗證基礎上,對Q345材質開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱進行了大規(guī)模有限元參數分析。通過變化柱長、加勁肋高度、腹板寬度、翼緣寬度、卷邊寬度、

5、孔洞間距以及邊界條件等相關參數,研究了此類構件的穩(wěn)定性能,并對比研究了相關參數變化時柱試件的極限承載力和屈曲失效模式。有限元參數分析結果是對試驗數據的有效補充,為后續(xù)設計公式的建立提供了理論依據。
　　彈性屈曲應力計算是冷彎薄壁型鋼構件直接強度法應用的關鍵環(huán)節(jié)。按翼緣模型計算構件彈性畸變屈曲應力時需要確定腹板對翼緣的轉動約束剛度?，F有轉動約束剛度計算公式較復雜,求解過程需要進行一次迭代。為了簡化計算過程,本文提出了冷彎薄壁型鋼卷邊

6、槽形截面柱翼緣轉動約束剛度簡化計算公式。該公式是在Lau和Hancock公式的基礎上,結合我國《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》(GB50018—2002)中關于腹板和翼緣局部屈曲系數的規(guī)定而導出的,并根據Lau和Hancock公式計算結果對其進行了修正。與有限條分析值對比表明:該公式可以準確、方便地計算轉動約束剛度,能夠應用于冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面柱的設計計算?？锥磳﹂_孔冷彎薄壁卷邊槽鋼柱試件彈性畸變屈曲應力的影響,可以通過折減全截面厚度

7、予以考慮。本文提出的彈性局部屈曲應力和彈性畸變屈曲應力理論計算公式都與有限條或有限元分析值吻合較好。
　　本文給出了基于直接強度法設計理念的軸壓開孔與未開孔腹板V形加勁冷彎薄壁卷邊槽鋼柱畸變屈曲承載力設計公式,其計算值與試驗結果和有限元參數分析值吻合較好。所得設計方法可以為今后設計規(guī)范的修訂提供參考。
　　有限元參數分析時,部分試件發(fā)生畸變與局部相關屈曲。本文經分析后指出,除以前學者們提出的彈性畸變屈曲應力與局部屈曲應力之比