高强度钢材焊接截面轴压构件局部稳定性能和设计方法

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随着钢材生产工艺的进步,高强度钢材逐渐运用于建筑结构中。由于钢材屈服强度的提高,轴心受压构件的承载力由稳定性控制而不是由强度控制的特性更加显著。研究焊接箱形和工字形轴心受压构件局部稳定受力性能,对于高强度钢材的运用具有重要意义。本文运用试验研究和有限元计算方法,对高强度钢材焊接箱形和工字形轴压构件的局部屈曲承载力、局部屈曲后极限承载力和板件宽厚比限值进行了系统的研究,主要研究内容和成果如下:(1)对21个460MPa和960MPa高强度钢材焊接箱形和工字形短柱进行了局部稳定加载试验,测量了钢材的材性数据、局部几何初始缺陷和构件的局部屈曲承载力、局部屈曲后极限承载力,并通过荷载—位移曲线分析,得出构件局部屈曲影响截面极限承载力、板件的面外刚度而不影响构件轴压刚度的结论。(2)利用本文试验结果和其他学者相关试验结果,研究了中国、美国、欧洲、澳大利亚和英国钢结构设计规范中关于嵌固系数、局部屈曲应力和局部屈曲后极限应力的设计方法和计算公式对于高强度钢材焊接箱形和工字形轴压构件的适用性,得出了所有计算公式均难以直接适用于高强度钢材焊接截面轴压构件的结论。(3)建立了能够模拟几何初始缺陷和残余应力并准确分析焊接箱形和工字形轴压构件局部稳定受力性能的有限元模型,考察了构件的局部屈曲承载力、局部屈曲后极限承载力,并利用本文试验结果和其他学者相关试验结果验证了有限元模型的可靠性。(4)利用已验证的有限元模型对焊接箱形和工字形轴心受压构件的局部稳定受力性能进行参数分析,研究板件宽厚比、板件长宽比、板件厚度、钢材屈服强度、局部几何初始缺陷幅值、残余压应力值和钢板间相互约束作用的影响。(5)基于上述计算结果,提出了焊接箱形和工字形轴压构件板件的局部屈曲应力和局部屈曲后极限应力随板件宽厚比和钢材屈服强度变化的建议计算公式,并利用试验结果验证了建议计算公式的准确性和安全性。(6)基于上述板件的局部屈曲应力建议计算公式,采用了国内外钢结构设计规范中轴压构件板件宽厚比限值的两种确定方法,分别提出了板件的宽厚比限值,其均小于我国钢结构设计规范中轴压构件板件的宽厚比限值。并且,采用板件屈曲应力等于钢材屈服强度得到的板件宽厚比限值,为采用板件屈曲应力等于构件整体屈曲应力得到的与构件绕弱轴长细比相关的板件宽厚比限值的下限。
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