学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱稳定性能研究

作　者: 姚永红
导　师: 武振宇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 冷弯薄壁型钢稳定性能腹板V形加劲有限元方法有限条方法畸变屈曲直接强度法孔洞
分类号: TU392.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 64次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

冷弯薄壁型钢与热轧型钢相比，具有许多优越之处，正日益广泛地应用于轻钢货架、低层住宅以及工业厂房等建筑结构之中。目前，大部分国家冷弯薄壁型钢设计规范中，都采用的是有效截面法设计构件的承载力，该方法在计算复杂截面的有效宽度时将变得异常繁琐，并且未考虑畸变屈曲的不利影响。为解决这些问题，Schafer和Pek z提出了直接强度设计方法。近年来，在冷弯薄壁型钢卷边槽形截面柱中，为提高构件局部屈曲承载力，常在腹板上设置加劲肋。此时，畸变屈曲会成为此类构件的屈曲失效模式之一。为方便水管、电线以及暖气管道在墙体中通过，常在冷弯薄壁型钢卷边槽形截面腹板中预先开设孔洞。孔洞的出现会对构件的屈曲失效模式和极限承载力产生影响。开孔试件的屈曲模式、弹性屈曲应力以及极限承载力与未开孔柱试件相比存在诸多不同之处。关于此种开孔柱构件的研究，目前大部分都是针对腹板未加劲卷边槽形截面柱。为了解开孔腹板加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱试件的稳定性能，有必要对该类型构件开展试验和理论研究。本文通过试验、有限元、有限条以及理论分析的方法，对Q345材质开孔与未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱的稳定性能开展了研究工作。对两种截面形式、共计20个开孔与未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢短柱和中长柱进行了试验研究。对试件初始几何缺陷、截面尺寸以及钢材材料属性进行了详细的测量。试验中所有柱试件发生了畸变屈曲失效。在荷载下降段，中长柱除发生畸变变形外，还可以观察到绕弱轴的弯曲。孔洞不仅能改变构件的屈曲模式，还会使中长柱试件的畸变屈曲半波数发生变化。腹板上开有孔洞，加速了畸变屈曲变形的发展，导致极限荷载下降以及翼缘端部侧向变形增大。在试验过程中发现，柱试件畸变初始缺陷越大，对应的极限承载力越小，而畸变屈曲侧向变形越大。另外，对所有试验试件进行了有限元模拟，有限元分析结果与试验值吻合较好。在试验验证基础上，对Q345材质开孔与未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱进行了大规模有限元参数分析。通过变化柱长、加劲肋高度、腹板宽度、翼缘宽度、卷边宽度、孔洞间距以及边界条件等相关参数，研究了此类构件的稳定性能，并对比研究了相关参数变化时柱试件的极限承载力和屈曲失效模式。有限元参数分析结果是对试验数据的有效补充，为后续设计公式的建立提供了理论依据。弹性屈曲应力计算是冷弯薄壁型钢构件直接强度法应用的关键环节。按翼缘模型计算构件弹性畸变屈曲应力时需要确定腹板对翼缘的转动约束刚度。现有转动约束刚度计算公式较复杂，求解过程需要进行一次迭代。为了简化计算过程，本文提出了冷弯薄壁型钢卷边槽形截面柱翼缘转动约束刚度简化计算公式。该公式是在Lau和Hancock公式的基础上，结合我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）中关于腹板和翼缘局部屈曲系数的规定而导出的，并根据Lau和Hancock公式计算结果对其进行了修正。与有限条分析值对比表明：该公式可以准确、方便地计算转动约束刚度，能够应用于冷弯薄壁型钢卷边槽形截面柱的设计计算。孔洞对开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱试件弹性畸变屈曲应力的影响，可以通过折减全截面厚度予以考虑。本文提出的弹性局部屈曲应力和弹性畸变屈曲应力理论计算公式都与有限条或有限元分析值吻合较好。本文给出了基于直接强度法设计理念的轴压开孔与未开孔腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱畸变屈曲承载力设计公式，其计算值与试验结果和有限元参数分析值吻合较好。所得设计方法可以为今后设计规范的修订提供参考。有限元参数分析时，部分试件发生畸变与局部相关屈曲。本文经分析后指出，除以前学者们提出的弹性畸变屈曲应力与局部屈曲应力之比外，柱长也是影响畸变与局部相关屈曲发生的重要因素。在有限元分析结果的基础上，提出了该类型屈曲失效模式的建议设计方法，其计算值安全可靠。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-38
  1.1 课题背景  16-19
  1.2 国内外该方向研究现状  19-36
    1.2.1 冷弯薄壁型钢柱屈曲模式  19-24
    1.2.2 冷弯薄壁型钢柱畸变屈曲研究进展  24-28
    1.2.3 冷弯薄壁型钢柱构件设计方法  28-32
    1.2.4 腹板开孔冷弯薄壁型钢柱研究进展  32-36
    1.2.5 目前研究工作中存在的几个问题  36
  1.3 本课题的主要研究内容  36-38
第2章腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱试验研究与有限元模拟  38-74
  2.1 引言  38-39
  2.2 试件设计  39-40
  2.3 试件截面尺寸  40-41
  2.4 初始缺陷  41-46
    2.4.1 局部和畸变初始缺陷  43-44
    2.4.2 整体初始缺陷  44-46
  2.5 材性试验  46-47
  2.6 试验方法  47-49
    2.6.1 试验加载装置  47
    2.6.2 测点布置  47-48
    2.6.3 试件对中及加载方案  48-49
  2.7 试验结果及分析  49-61
    2.7.1 短柱  49-55
    2.7.2 中长柱  55-61
  2.8 有限元分析与试验结果比较  61-72
    2.8.1 分析过程  61-62
    2.8.2 材料属性和残余应力  62-63
    2.8.3 单元类型及网格划分  63-64
    2.8.4 初始缺陷和边界条件  64
    2.8.5 分析结果  64-72
  2.9 本章小结  72-74
第3章腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱有限元参数分析  74-89
  3.1 引言  74
  3.2 参数选取和试件编号  74-76
  3.3 试件长度对承载力和屈曲失效模式的影响  76-79
  3.4 加劲肋高度对承载力和屈曲失效模式的影响  79-80
  3.5 腹板宽度对承载力和屈曲失效模式的影响  80-83
  3.6 翼缘宽度对承载力和屈曲失效模式的影响  83
  3.7 卷边宽度对承载力和屈曲失效模式的影响  83-85
  3.8 孔洞间距对承载力和屈曲失效模式的影响  85-87
  3.9 边界条件对承载力和屈曲失效模式的影响  87
  3.10 本章小结  87-89
第4章冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱弹性屈曲分析  89-119
  4.1 引言  89
  4.2 参数选取和试件编号  89-91
  4.3 弹性局部屈曲分析  91-97
    4.3.1 未开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱  91-93
    4.3.2 开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱  93-97
  4.4 弹性畸变屈曲分析  97-116
    4.4.1 现有畸变屈曲应力计算方法简介  97-102
    4.4.2 简化计算方法  102-108
    4.4.3 加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱  108-110
    4.4.4 开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱  110-116
  4.5 弹性整体屈曲分析  116-117
    4.5.1 未开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱  116-117
    4.5.2 开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱  117
  4.6 本章小结  117-119
第5章腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱直接强度法研究  119-137
  5.1 引言  119-120
  5.2 轴压试件直接强度法简介  120-124
    5.2.1 Hancock 提出的畸变屈曲承载力计算方法  120-122
    5.2.2 国外规范直接强度法计算过程简介  122-124
  5.3 未开孔腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱直接强度法研究  124-131
    5.3.1 畸变屈曲承载力现有计算公式分析  124-126
    5.3.2 畸变屈曲承载力建议计算公式  126-127
    5.3.3 直接强度法计算公式验证  127-131
  5.4 开孔腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢柱直接强度法研究  131-136
    5.4.1 建议计算公式  132-133
    5.4.2 计算结果验证  133-136
  5.5 本章小结  136-137
第6章腹板 V 形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱畸变与局部相关屈曲研究  137-156
  6.1 引言  137-138
  6.2 未开孔腹板 V 形加劲柱畸变与局部相关屈曲研究  138-147
    6.2.1 弹性屈曲研究  138-141
    6.2.2 柱长对畸变与局部相关屈曲的影响  141-142
    6.2.3 现有设计方法研究  142-144
    6.2.4 各种设计方法比较  144-146
    6.2.5 建议设计方法  146-147
  6.3 开孔腹板 V 形加劲柱畸变与局部相关屈曲研究  147-154
    6.3.1 弹性屈曲研究  151-152
    6.3.2 柱长对畸变与局部相关屈曲的影响  152-153
    6.3.3 建议设计方法  153-154
  6.4 本章小结  154-156
结论  156-159
参考文献  159-171
附录  171-207
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  207-209
致谢  209-210
个人简历  210

腹板V形加劲冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱稳定性能研究

内容摘要

全文目录

相似论文