【摘 要】
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在“一带一路”政策和国家“海洋战略”的牵引下,高盐分、高湿度等恶劣环境下的基础设施建设需求逐渐增大,力学性能稳定、抗腐蚀性能优异且全寿命周期成本低的不锈钢日益成为严苛环境下建筑结构新材料的优选方案。卷边C形截面不锈钢构件属于冷弯薄壁构件,其具有自重轻、强度高、延性好等优点,是不锈钢材料应用于建筑结构中的典型构件形式之一。然而,此类构件由于板件宽厚比较大,在受压状态下极易产生多种模态耦合的屈曲破坏。
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“多种屈曲模态下冷弯薄壁开口截面不锈钢构件统一设计理论的研究”(51878146)
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在“一带一路”政策和国家“海洋战略”的牵引下,高盐分、高湿度等恶劣环境下的基础设施建设需求逐渐增大,力学性能稳定、抗腐蚀性能优异且全寿命周期成本低的不锈钢日益成为严苛环境下建筑结构新材料的优选方案。卷边C形截面不锈钢构件属于冷弯薄壁构件,其具有自重轻、强度高、延性好等优点,是不锈钢材料应用于建筑结构中的典型构件形式之一。然而,此类构件由于板件宽厚比较大,在受压状态下极易产生多种模态耦合的屈曲破坏。目前,国内外对于卷边C形截面不锈钢受压构件相关屈曲的研究较少,相关设计规范的完善亟需理论基础和试验数据的支撑。基于上述背景,本文以卷边C形截面不锈钢柱为研究对象,采用试验研究和数值模拟分析相结合的方法,揭示了其发生局部与畸变相关屈曲的破坏过程和破坏机理,并给出了卷边C形截面不锈钢柱局部与畸变相关屈曲承载力的直接强度法计算公式。基于国产奥氏体S30408不锈钢材料,本文开展了4个不锈钢平板区试件材料力学性能试验和19根轴心受压卷边C形截面不锈钢柱试件局部与畸变相关屈曲承载力试验。材料力学性能试验结果表明:修正后的两阶段R-O模型能够较好地模拟不锈钢材料的非线性应力-应变曲线。通过轴心受压卷边C形截面不锈钢柱承载力试验,获取了各试件的局部与畸变相关屈曲承载力和各试件的轴向位移、侧向位移、各测点应变随荷载变化的关系曲线,揭示了不锈钢柱局部与畸变相关屈曲的发展过程和破坏机理。基于ABAQUS有限元软件,本文建立了卷边C形截面不锈钢柱的数值分析模型,并对各试件的局部与畸变相关屈曲破坏过程进行了有限元数值模拟分析;有限元分析结果与各试件的试验结果均吻合较好,从而验证了有限元分析模型的准确性。在此基础上,利用试验验证的有限元分析模型,对卷边C形截面不锈钢柱局部与畸变相关屈曲承载力的多种影响因素开展参数化分析。分析结果表明:构件的初始几何缺陷幅值、局部与畸变相关屈曲长细比、转角区材料强度的提高和不锈钢材料的名义屈服强度均对卷边C形截面不锈钢柱的局部与畸变相关屈曲承载力具有显著影响;构件的局部-畸变相关屈曲长细比与其局部-畸变相关屈曲承载力和局部屈曲承载力(或畸变屈曲承载力)的比值之间具有强相关性。采用已有直接强度法公式对本文试验中的各试件承载力进行计算,并将计算结果同试验结果作对比,结果表明:冷弯薄壁受压钢构件局部与畸变相关屈曲承载力的已有直接强度法公式对不锈钢构件的适用性不强;单一屈曲模态(局部屈曲或畸变屈曲)下的卷边C形截面不锈钢柱极限承载力的直接强度法公式也并不适用于发生局部与畸变相关屈曲的构件承载力计算。基于上述分析结果,本文利用ABAQUS软件,完成了169个绕截面强轴转动和201个绕截面弱轴转动的卷边C形截面不锈钢柱的局部与畸变相关屈曲算例。在此基础上,针对两种边界条件(绕截面强轴转动和绕截面弱轴转动),分别拟合出了相应的卷边C形截面不锈钢柱局部与畸变相关屈曲承载力的直接强度法计算公式。通过拟合公式计算结果与试验结果的对比,验证了本文拟合公式能够较好地预估轴心受压卷边C形截面不锈钢柱的局部与畸变相关屈曲承载力。最后,对拟合公式进行了可靠度分析,结果表明:本文拟合的直接强度法公式均满足规范规定的可靠度要求。
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