学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究

作　者: 王海明
导　师: 张耀春
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能抗弯承载力局部屈曲畸变屈曲直接强度法直接变形法弹性畸变屈曲应力
分类号: TU392.1
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 348次
引　用: 7次
阅　读: 论文下载

内容摘要

稳定问题是冷弯薄壁型钢结构领域的核心问题,各国的设计规范虽不尽相同,但大多都是围绕着稳定问题来编制的。对于冷弯薄壁型钢构件来说,可能出现局部屈曲、畸变屈曲和整体弯扭屈曲。以往对局部屈曲和整体弯扭屈曲的研究成果较为完善。由于对畸变屈曲的认识较晚及其自身的复杂性使得对畸变屈曲的许多研究成果无法达成共识,需要进一步研究。随着冷弯薄壁型钢构件朝着高强、超薄的方向发展,截面形式越来越趋于复杂化,这使得畸变屈曲更容易成为起控制作用的屈曲模式。对于冷弯薄壁型钢构件的设计,各国规范均采用有效截面法,然而该方法只是针对局部屈曲的,对于发生畸变屈曲的构件则无法采用有效截面法来设计。有效宽度及有效截面特性的计算是一个相当复杂的过程,尤其随着截面的复杂化,有效截面法逐渐显示出了不足之处。正是基于对畸变屈曲的考虑以及有效截面法的缺陷,一种新的设计方法——直接强度法(Direct Strength Method,简称DSM)应运而生。该方法无需计算有效截面特性,而用全截面特性计算,只需求得构件的弹性屈曲荷载,就可根据DSM公式求得构件的极限承载力,计算非常简便。但是该方法目前只能解决几类特定截面形式的构件计算,边界条件也有所限制,只针对两端简支轴压柱和两端简支纯弯梁的计算。将其应用范围进一步拓宽,使其能够适应更多的截面形式和复杂的受力状态是现阶段需要重点解决的问题。以往冷弯薄壁型钢构件的变形计算也采用有效截面法,建立与直接强度法相适应的计算构件变形的直接变形计算方法(Direct Deflection Method,简称DDM)亦势在必行。本文采用试验研究和有限元参数分析相结合的方法,对冷弯薄壁型钢受弯构件的稳定性能做全面系统的研究。卷边是影响构件屈曲性能的重要因素,所以本文选取了直卷边、斜卷边和复杂卷边C形和Z形截面构件作为研究对象,对其在纯弯和非纯弯状态下的破坏模式和抗弯承载力进行了研究。利用参数分析的抗弯承载力结果回归出了适用于纯弯和非纯弯状态下的DSM公式,并且利用参数分析时得到的构件变形曲线建立了能够计算构件整体弯曲变形的DDM公式。本文完成了6组纯弯试验和6组非纯弯试验共计24个试件的试验研究工作。试件分为直卷边、斜卷边和复杂卷边C形截面,并且变化卷边的宽度。试验中观察到了局部屈曲、畸变屈曲以及局部和畸变的相关屈曲现象。通过对比同样截面形式的试件在两种受弯状态下的抗弯承载力,得到了破坏模式对试件抗弯承载力的影响规律。利用有限元程序ANSYS考虑几何非线性和材料非线性,并且考虑试件的初始几何缺陷,对所有试验进行了模拟。有限元模拟结果与试验结果的对比发现二者吻合较好,为以后的有限元参数分析工作奠定了有力的试验基础。在试验研究的基础上了,分别对直卷边、斜卷边和复杂卷边形式的C形和Z形截面冷弯薄壁型钢受弯构件进行了大量的有限元参数分析,并且对比了在纯弯和非纯弯两种受弯状态下构件的破坏模式和抗弯承载力。结果发现,对于在两种受弯状态下均以畸变屈曲为主的构件,非纯弯作用下构件的抗弯承载力往往比纯弯作用下的要高出10%~20%;而在两种受弯状态下均表现为局部和畸变相关屈曲的构件,其抗弯承载力相差不大,多数构件在纯弯作用下的抗弯承载力略高。对内向弯折型和内向弯勾型两种复杂卷边截面形式的构件在两种受弯状态下承载效率的对比分析发现,对于多数构件来说,内向弯折型截面的承载效率高于内向弯勾型的。以原有的直接强度法为基准,利用对直卷边、斜卷边和复杂卷边受弯构件在两种受弯状态下的研究结果回归得到了能够适用于不同卷边形式的修正后的DSM公式。由于原始的DSM公式都是根据构件受纯弯时的结果得来的,本文把其应用范围进一步扩展,引入到了构件受非纯弯时。对于纯弯构件和非纯弯构件来说,均把构件划分为局部和畸变相关屈曲以及畸变屈曲两大类,分别回归了两种屈曲模式下的DSM公式。选取了一定数量的构件分别用DSM原始公式和修正公式计算,然后与分析结果进行对比发现,修正公式的计算结果更为精确。开展了弯矩作用平面内构件整体弯曲变形的DDM计算方法的研究。选取了一定截面参数的构件,通过对板厚t、腹板高度H、翼缘宽度B等参数以及卷边形式的研究综合对比发现,翼缘宽厚比是影响构件变形的主要因素,其他参数对构件变形的影响均很小。通过对比分析各曲线散点的分布,建立了不同厚度的直卷边、斜卷边以及复杂卷边构件的DDM公式。鉴于已有的求解受弯构件弹性畸变屈曲应力的方法过于繁琐,结合我国实际情况,在用有限条程序CUFSM求得构件弹性畸变屈曲应力的基础上,分析各参数的影响规律,分别建立了适用于求解直卷边和斜卷边构件的弹性畸变屈曲应力的简化计算公式。通过与有限条程序得到的结果对比发现,两个简化公式的计算误差均较小,能够满足精度要求。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
第1章绪论  18-37
  1.1 概述  18-19
  1.2 国内外在该方向的研究现状及分析  19-35
    1.2.1 冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式  19-22
    1.2.2 局部屈曲和畸变屈曲的研究进展  22-26
    1.2.3 弹性畸变屈曲应力计算方法的研究  26-31
    1.2.4 冷弯薄壁型钢构件设计方法  31-35
  1.3 本课题的主要研究内容  35-37
第2章冷弯薄壁型钢C 形截面受弯构件试验研究与有限元分析  37-64
  2.1 概述  37-38
  2.2 试验介绍  38-39
  2.3 试件设计  39-41
  2.4 材性试验  41-42
  2.5 初始缺陷  42-45
  2.6 试验方法  45-47
    2.6.1 加载装置  45-46
    2.6.2 测点布置  46-47
    2.6.3 试件对中及加载方式  47
  2.7 试验结果及分析  47-58
    2.7.1 纯弯试验结果与分析  47-51
    2.7.2 非纯弯试验结果与分析  51-55
    2.7.3 两种受弯状态下抗弯承载力的对比与分析  55-57
    2.7.4 受压翼缘和受压卷边上的应变分布  57-58
  2.8 有限元分析及其与试验结果的对比  58-62
    2.8.1 分析过程  58
    2.8.2 单元选取及边界条件  58
    2.8.3 材料属性  58-59
    2.8.4 初始缺陷与残余应力的影响  59-60
    2.8.5 有限元分析结果与试验结果对比  60-62
  2.9 本章小结  62-64
第3章直卷边冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能分析  64-82
  3.1 概述  64
  3.2 参数选取和构件编号说明  64-66
  3.3 分析过程  66
  3.4 纯弯构件结果分析  66-72
    3.4.1 C 形截面纯弯构件结果分析  68-70
    3.4.2 Z 形截面纯弯构件结果分析  70
    3.4.3 C 形与Z 形截面纯弯构件结果的对比  70-72
  3.5 非纯弯构件结果分析  72-76
    3.5.1 C 形截面非纯弯构件结果分析  73
    3.5.2 Z 形截面非纯弯构件结果分析  73-76
    3.5.3 C 形与Z 形截面非纯弯构件结果的对比  76
  3.6 纯弯和非纯弯构件结果的对比  76-80
    3.6.1 C 形截面构件纯弯和非纯弯结果的对比  76-78
    3.6.2 Z 形截面构件纯弯和非纯弯结果的对比  78-79
    3.6.3 结果分析  79-80
  3.7 本章小结  80-82
第4章斜卷边冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能分析  82-96
  4.1 概述  82
  4.2 参数选取和构件编号说明  82-83
  4.3 分析过程  83-84
  4.4 纯弯构件结果分析  84-88
    4.4.1 C 形截面纯弯构件结果分析  84-85
    4.4.2 Z 形截面纯弯构件结果分析  85
    4.4.3 C 形与Z 形截面纯弯构件结果的对比  85-88
  4.5 非纯弯构件结果分析  88-89
    4.5.1 C 形截面非纯弯构件结果分析  88-89
    4.5.2 Z 形截面非纯弯构件结果分析  89
    4.5.3 C 形与Z 形截面非纯弯构件结果对比  89
  4.6 纯弯和非纯弯结果的对比  89-95
    4.6.1 C 形截面构件纯弯和非纯弯结果的对比  92
    4.6.2 Z 形截面构件纯弯和非纯弯结果的对比  92-94
    4.6.3 结果分析  94-95
  4.7 本章小结  95-96
第5章复杂卷边冷弯型钢受弯构件稳定性能分析  96-109
  5.1 概述  96
  5.2 参数选取和构件编号说明  96-98
  5.3 分析过程  98
  5.4 纯弯构件结果分析  98-100
    5.4.1 破坏模式  98
    5.4.2 抗弯承载力  98-100
  5.5 非纯弯构件结果分析  100-102
    5.5.1 破坏模式  100-102
    5.5.2 抗弯承载力  102
  5.6 纯弯和非纯弯结果的对比  102-107
  5.7 本章小结  107-109
第6章冷弯薄壁型钢受弯构件抗弯承载力实用计算方法研究  109-127
  6.1 概述  109
  6.2 国外直接强度法简介  109-111
  6.3 弹性屈曲荷载的求解  111-112
  6.4 各国规范对截面参数限值的规定  112-113
  6.5 纯弯构件抗弯承载力的DSM 研究  113-120
    6.5.1 纯弯构件DSM 修正公式的建立  113-116
    6.5.2 纯弯构件DSM 修正公式的验证  116-120
  6.6 非纯弯构件抗弯承载力的DSM 研究  120-126
    6.6.1 非纯弯构件DSM 修正公式的建立  120-122
    6.6.2 非纯弯构件DSM 修正公式的验证  122-126
  6.7 本章小结  126-127
第7章冷弯薄壁型钢受弯构件整体弯曲变形计算方法研究  127-140
  7.1 概述  127-128
  7.2 按弹性理论计算的受弯构件整体弯曲变形  128
  7.3 直卷边和斜卷边受弯构件整体弯曲变形直接计算方法  128-136
    7.3.1 各参数对受弯构件整体弯曲变形的影响分析  128-132
    7.3.2 整体弯曲变形直接计算公式的建立  132-136
  7.4 复杂卷边受弯构件整体弯曲变形直接计算方法  136-139
    7.4.1 各参数对受弯构件整体弯曲变形的影响分析  136-138
    7.4.2 整体弯曲变形直接计算公式的建立  138-139
  7.5 本章小结  139-140
第8章弹性畸变屈曲荷载实用计算方法研究  140-159
  8.1 概述  140
  8.2 Hancock 法和Schafer 法简介  140-143
    8.2.1 Hancock 法  141-142
    8.2.2 Schafer 法  142-143
  8.3 弹性畸变屈曲应力计算方法研究  143-158
    8.3.1 直卷边受弯构件弹性畸变屈曲应力计算公式的建立  143-149
    8.3.2 直卷边受弯构件弹性畸变屈曲应力计算公式的检验  149
    8.3.3 斜卷边受弯构件弹性畸变屈曲应力计算公式的建立  149-155
    8.3.4 斜卷边受弯构件弹性畸变屈曲应力计算公式的检验  155-158
  8.4 本章小结  158-159
结论  159-163
参考文献  163-173
附录  173-217
攻读学位期间发表的学术论文及其他成果  217-219
致谢  219-220
个人简历  220

冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文