热成型不锈钢等肢角钢截面轴心受压构件承载性能研究

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近年来在建筑领域中,绿色建筑的理念得到提倡。与传统的碳钢相比,不锈钢具有更加优良的耐腐蚀性和耐久性,这大大降低了不锈钢结构在使用寿命周期内的维护成本,也可从根本上解决普通钢结构的锈蚀问题。并且不锈钢还具有良好的力学性能,包括更高的强度和塑性以及更好的外部观感。这些使得不锈钢在建筑领域的应用愈加广泛,如桁架中的弦杆、输电塔结构和钢混组合结构中等。国内现行的不锈钢规范是依据碳钢相应规范提出的,忽略了不锈钢具有的较强非线性的应力-应变性能,没有明显的屈服点和屈服平台,且弹性模量随着应力的增加逐渐减小等特点,导致与实际结果相比,规范显得十分保守且不准确。目前国内外相关研究的重点仍在碳钢,有关不锈钢的研究较少,而且主要集中于冷成型不锈钢。相较于冷成型不锈钢,热成型不锈钢价格较低,且具有更好的韧性和延展性。在热成型不锈钢材料之中,等肢角钢截面构件已广泛应用于输电塔的弦杆、钢框架的水平支撑系统和山墙的抗风柱,尽管不锈钢等肢角钢截面构件的截面形状简单,但其受力特点和屈曲性能的设计较为复杂,这主要是由于角钢截面的抗扭刚度较低,因此在荷载作用下,不锈钢角钢截面构件更易产生扭转,这种特点在欧洲规范EN1993-1-4规定的第四类截面上尤为突出。目前有关热成型不锈钢等肢角钢第四类截面构件的研究较少,基于此现状,本文将采用从文献中收集的相关试验数据、数值模拟和理论分析相结合的研究方法,结合结构稳定理论,对热成型不锈钢等肢角钢第四类截面构件的整体稳定进行了研究,为中国《不锈钢结构技术规范》进一步的修订和工程应用提供科学有效的参考依据。本文的研究工作主要包括以下内容:(1)将从文献中收集的相关试验数据进行总结分析,基于文献中收集到的材料本构模型、初始几何缺陷参数和结构承载力等数据进行了有限元模拟,验证了有限元模型的准确性。(2)对影响构件稳定性能的主要因素开展参数分析,计算分析了大量数值算例,探究了热成型不锈钢等肢角钢截面轴心受压构件几何初始缺陷、截面残余应力、截面宽厚比和构件长细比对轴压构件整体稳定性能的影响。结合试验与有限元计算结果,对欧洲规范EN1993-1-4、美国规范AISC 27和中国规范CECS 410进行了评估。(3)根据对国内外不锈钢技术规范的评估结果,对欧洲规范EN 1993-1-4和连续强度法(CSM)轴心受压构件整体稳定设计公式中的相关系数进行了修正,修正后的轴压构件整体稳定性能计算公式能合理准确地预测热成型不锈钢等肢角钢截面轴心受压构件整体稳定性能。
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