冷弯薄壁C型钢双向偏心受压构件稳定性能研究

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冷弯薄壁型钢结构的稳定问题异常复杂。先后经历了两个研究阶段,有效截面法阶段和直接强度法阶段。目前世界各国的冷弯薄壁型钢结构设计规范多采用有效截面法对构件承载力进行计算,该方法建立在板件具有屈曲后强度上,而且考虑板件发生局部屈曲对杆件整体屈曲相关影响,采用部分有效截面进行强度和稳定验算,并不能考虑构件的畸变屈曲性能。有效截面法在运用过程中,确定有效宽度及其几何特性是较为复杂的过程,特别是对于截面形式复杂的构件计算将更加困难,目前冷弯薄壁型钢结构的发展,板件厚度更薄、屈服强度更高、板件中间加劲、复杂截面形式等,使得畸变屈曲通常起控制作用,有效截面法逐渐显示出不足之处。而直接强度法(Direct Strength Method,简称DSM)则采用全截面计算各类参数,对强度进行折减,不必对截面中的每个板件进行有限宽度和有效截面特性的计算,其能够考虑各种单独屈曲模式及其相关屈曲对构件稳定性能的影响。该方法代表了冷弯薄壁型钢的设计方法的发展方向,仍需进行大量的理论分析和试验研究工作,目前该方法仅能计算简支轴压柱和简支纯弯梁的极限承载力,对于压弯构件特别是双向压弯构件的承载力计算还有待研究。本文采用试验研究与有限元分析相结合的方式对冷弯薄壁C型钢双向偏心受压的稳定性能、极限承载力及基于P-M1-M2关系的直接强度法公式应用进行了研究;避开计算繁杂的有效截面法,提出了适用于冷弯薄壁C型钢双向偏压构件承载力的计算方法。主要内容和结论如下:(1)完成了同一种截面形式、两种构件长度共52根试件的双向偏心受压试验,研究试件长度和偏心位置对构件稳定性能、破坏模式的影响规律。试验结果表明双向偏心受压构件破坏时的变形由板件的局部凸曲、翼缘卷边组合体的转动和构件的整体弯曲变形组成。在几何尺寸相同的条件下,正偏心构件最终都发生畸变失稳并伴随着整体弯曲;负偏心构件中,绕强轴偏心距较小时,破坏模式以局部失稳为主并伴随整体弯曲,随着绕强轴偏心距的增大,破坏模式逐步向以局部屈曲和畸变屈曲同时出现的失稳模式转变并伴随着整体弯曲;随着构件长度的增加,相同偏心位置的构件承载力降低,伴随着的整体弯曲现象更加明显;偏心距的方向和大小对试件的极限承载力有显著影响。(2)对冷弯薄壁C型钢双向偏心受压构件的稳定性能和承载力进行了有限元参数模拟分析。首先,依据试验结果对有限元模型的合理性和有效性进行了验证。以此为依据,将该有限元模型应用到参数分析中,通过变化各类截面几何参数和构件长度及偏心距位置考察了其对构件失稳模式以及承载力的影响规律,对试验研究成果进行了补充。研究表明偏心距位置和构件厚度对构件失稳模式和承载力的影响最为显著,在绕弱轴方向为正偏心距时,构件主要发生畸变失稳,并伴随着整体弯曲,构件越长,伴随着的整体弯曲越明显;在绕弱轴方向为负偏心距时,绕强轴方向的偏心距较小时,构件主要发生局部屈曲,并伴随着整体弯曲,随着绕强轴方向偏心距的增大,构件逐渐以畸变失稳为主要破坏模式;承载力受绕弱轴方向偏心距影响较大,偏心距的增大承载力降低;厚度对构件的承载能力影响较大;卷边的长度对发生畸变屈曲构件的承载力影响较大。(3)依据本文的参数分析结果,针对不同失稳模式提出了一种基于直接强度法的双向偏压构件承载力计算方法,建立了双向偏压构件的P-M1-M2的相关关系。通过本文试验构件及Schafer试验构件对计算公式的对比验证表明,本文提出的计算方法能有效地预测冷弯薄壁型钢双向偏压构件的极限承载力。
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