开口拼合冷弯薄壁型钢轴压短柱试验与理论研究

论文摘要

拼合截面冷弯薄壁型钢立柱在国内外低层冷弯薄壁型钢住宅体系中已广泛应用,为深入研究此类构件的受力性能并提出设计建议,本文对目前常用的拼合截面短柱的基本构件—单肢C型、U型冷弯薄壁型钢短柱以及开口拼合截面冷弯薄壁型钢短柱进行了试验与理论研究。首先,对单肢C型、U型以及开口拼合截面冷弯薄壁型钢短柱进行轴压试验研究,介绍了试验方法、受力性能,并对如何计算开口拼合截面冷弯薄壁型钢轴压短柱的局部屈曲临界应力和荷载进行了大量分析。极限承载力结果表明：单肢C型截面短柱的极限承载力乘以单肢的个数基本等于开口拼合截面短柱的极限承载力。其次,对单肢C型、U型以及开口拼合截面冷弯薄壁型钢轴压短柱进行数值分析,包括三部分：第一部分,采用有限元程序ANSYS对短柱屈曲性能、屈曲后性能进行模拟分析；第二部分,采用有限条程序CUFSM进一步分析短柱的屈曲性能；在模型正确性得到验证的基础上,进行第三部分,即利用ANSYS和CUFSM对构件的螺钉间距、板件宽厚比进行变参数分析,结果表明：板件宽厚比对短柱屈曲承载力和极限承载力影响较大。然后,通过有限条程序CUFSM反算出单肢C型、U型以及开口拼合截面冷弯薄壁型钢轴压短柱的局部相关屈曲系数,并给出了确定开口拼合截面冷弯薄壁型钢轴压短柱局部屈曲临界荷载的方法,误差在5%以内。最后,简要介绍了目前普遍采用的计算方法—有效宽度法,并引入另一种适用于冷弯薄壁型钢构件的计算方法—直接强度法。比较可知：理论计算结果均偏于不安全。因此,本文在我国规范的基础上,提出开口拼合截面冷弯薄壁型钢轴压短柱极限承载力的建议计算公式：开口拼合截面轴压短柱的极限承载力=η×基本构件的极限承载力,其中η为拼合系数,其取值依据拼合截面形式的不同而不同。对于本文研究的几种拼合截面短柱,η取值分别为：η3=1.916,η6=2.756,η10=4.083。同时,按有效宽度法计算基本构件极限承载力时,局部屈曲系数取CUFSM的反算修正值,结果与试验对比,吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源、研究目的和意义
• 1.3 冷弯薄壁型钢的相关知识
• 1.3.1 冷弯薄壁型钢构件的屈曲模式
• 1.3.2 弹性局部屈曲
• 1.3.3 弹性畸变屈曲
• 1.3.4 相关屈曲
• 1.4 国内外相关研究概况
• 1.4.1 国外拼合截面冷弯薄壁型钢的研究与应用
• 1.4.2 国内拼合截面冷弯薄壁型钢的研究与应用
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 开口拼合冷弯薄壁型钢短柱轴压试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 材性试验
• 2.3 短柱试验概况
• 2.3.1 试验目的和内容
• 2.3.2 试件概述
• 2.3.3 测点布置
• 2.3.4 试验装置
• 2.4 短柱试验过程及破坏特征
• 2.4.1 加载制度
• 2.4.2 试验过程及破坏特征
• 2.5 短柱试验结果及分析
• 2.5.1 荷载—应变曲线
• 2.5.2 荷载—位移曲线
• 2.5.3 试验屈曲荷载和极限荷载
• 2.6 短柱试验结果与规范计算结果比较分析
• 2.6.1 试验屈曲荷载与理论计算屈曲荷载的比较
• 2.6.2 试验极限荷载与GB50018—2002计算极限荷载的比较分析
• 2.6.3 试验极限荷载与北美规范计算极限荷载的比较分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 开口拼合冷弯薄壁型钢轴压短柱的数值分析
• 3.1 引言
• 3.2 ANSYS有限元程序概述
• 3.3 ANSYS有限元程序分析短柱的屈曲荷载与极限承载力
• 3.3.1 有限元模型的建立及约束
• 3.3.2 特征值屈曲分析
• 3.3.3 初始缺陷的施加
• 3.3.4 非线性屈曲分析
• 3.3.5 ANSYS分析的屈曲荷载与试验结果比较
• 3.3.6 ANSYS分析的极限荷载与试验结果比较
• 3.3.7 ANSYS模拟的破坏模式与试验结果比较
• 3.4 ANSYS有限元模型的正确性验证
• 3.5 CUFSM有限条程序概述
• 3.6 CUFSM有限条程序分析短柱的屈曲荷载
• 3.6.1 建模过程
• 3.6.2 求解
• 3.6.3 后处理
• 3.6.4 CUFSM分析的弹性屈曲临界应力与试验结果比较
• 3.7 本章小结
• 第四章 开口拼合冷弯薄壁型钢轴压短柱的数值扩展分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元扩展分析
• 4.2.1 扩展分析的有限元模型
• 4.2.2 螺钉间距对承载力的影响
• 4.2.3 板件宽厚比对屈曲荷载的影响
• 4.2.4 板件宽厚比对极限荷载的影响
• 4.3 有限条扩展分析
• 4.3.1 扩展分析的有线条模型
• 4.3.2 后处理
• 4.4 本章小结
• 第五章 开口拼合冷弯薄壁型钢轴压短柱的理论分析
• 5.1 引言
• 5.2 有效宽度法
• 5.2.1 有效宽度的基本概念
• 5.2.2 有效宽度法的发展和制约
• 5.3 直接强度法（DSM）
• 5.3.1 DSM的基本概况
• 5.3.2 DSM计算轴压构件承载力的公式
• 5.3.3 DSM计算结果与试验结果比较分析
• 5.4 开口拼合冷弯薄壁型钢短柱的承载力计算模式
• 5.4.1 局部屈曲临界应力和荷载的计算方法
• 5.4.2 极限荷载的计算方法
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 1 本文结论
• 2 今后尚待研究的问题
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文、参与科研和获奖情况
• 致谢