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随着我国经济的迅速发展,人们对建筑外观要求越来越高。不锈钢以其良好的力学性能、完美的表面装饰性、超强的耐腐蚀性,在建筑领域越来越受到建筑师与结构工程师的青睐。目前我国对不锈钢材料力学性能和结构构件的性能研究尚不深入,尚未形成一本设计规范用来指导不锈钢结构的设计。本文基于上述背景对不锈钢冷弯卷边C型截面短柱有效截面计算方法进行了深入的研究。
本文在搜集且分析国内外有效截面的各种计算方法基础上,对三本设计规范(《美国冷成形不锈钢设计规范》(SEI/ASCE8-02)、《欧洲不锈钢结构设计规范》(EN1993-1-4:2006)和我国的《冷弯薄壁型钢结构设计规范》(GB50018-2002))中板件的有效宽度计算方法进行了对比,并将三本规范对不锈钢的适用性进行了分析。结果表明,三本规范中板件有效宽度计算方法均不能较好反应不锈钢材料的特性,不锈钢板件有效截面计算理论尚需进一步研究。
基于国产的不锈钢材料S30408,本文分别开展了16个不锈钢试件材料力学性能试验、12根轴心受压和28根偏心受压卷边C型截面短柱试验。材料力学性能试验结果表明:修正的两阶段Ramberg-Osgood材料模型能够很好地模拟不锈钢材料的非线性应力-应变关系,只是硬化系数尚需修正;冷加工后的不锈钢材料强度有明显的提高。短柱试验得到了短柱受压的破坏现象、应变变化曲线、荷载位移曲线、极限承载力值,并将试验得到的短柱极限承载力与三本规范计算值进行了对比,结果表明:规范的计算值明显小于试验值,且两者之间的差值随着板件的柔度系数增大而呈现减小的趋势。
采用有限元软件ANSYS对文中不锈钢C型截面短柱轴心受压与偏心受压过程进行了模拟分析,结果表明:采用材料力学性能试验获得的材料力学性能指标和合理的分析模型后,本文的有限元模型能够较准确地反映不锈钢受压构件真实的受力性能。通过有限元软件对影响不锈钢轴心受压与偏心受压短柱有效截面的主要因素进行了参数化分析,发现短柱材料屈服强度、硬化系数和初始缺陷对短柱有效截面影响很小,而截面尺寸变化与转角区材料强度提高对短柱有效截面的影响很大。
本文最后对不锈钢C型截面短柱有效截面的直接强度法进行了初步探讨,根据一系列有限元计算得到的数据和直接强度公式模型,拟合出不锈钢卷边C型截面轴心受压短柱与两端仅受弯矩作用短柱的直接强度法公式。且将拟合公式计算值与试验值进行对比,可以得到:拟合公式计算值与试验值较吻合,拟合公式对不锈钢C型截面短柱具有较好的预测能力。