弯扭联合作用下冷弯型钢的局部屈曲研究

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冷弯型钢构件在偏离剪心的横向集中荷载作用下受弯的同时会受扭,构件截面上会同时产生弯曲正应力和翘曲正应力。而冷弯型钢构件因为其壁厚较薄的特点易发生局部屈曲,弯曲正应力与翘曲正应力的叠加一定情况下会导致构件的局部屈曲更易发生,使构件承载能力降低。本文通过理论推导和有限元模拟方法,对弯矩与扭矩联合作用下的冷弯C型钢梁和LSB钢梁的局部屈曲模式和承载力进行研究分析。
  首先对跨中集中扭矩作用下的开闭口混合截面LSB钢梁进行了受力分析,推导了LSB钢梁的翘曲正应力和双力矩以及扭转角等理论公式,得到了截面的翘曲正应力分布,同时对截面扭转常数和扇性惯性矩等截面特性的理论公式进行了推导,并在形式上与开口截面冷弯C型钢梁各个参数的计算公式进行了对比,分别利用理论公式、有限元软件ANSYS和有限条软件CUFSM对冷弯C型钢梁和LSB钢梁的参数进行计算并对比,分析了理论公式、有限元软件、有限条软件计算上述截面特性的精确性和适用性,其中ANSYS分析结果与理论计算结果吻合较好,CUFSM分析结果与理论计算结果有较大误差,并对其中的误差从理论公式层面进行了分析。
  然后以偏离剪心的跨中横向集中荷载作用下的冷弯型钢构件的弯扭总势能方程为理论基础,得到了考虑扭矩影响的受弯构件整体稳定折减系数。并利用经过试验验证的有限元模型进行了验证及分析,且在考虑局部屈曲以及局部-整体相关屈曲(正偏心情况)的影响下将整体稳定折减系数进行修正,得到偏于安全的稳定折减系数下限公式,对于冷弯C型钢梁和LSB钢梁的局部屈曲以及局部-整体相关屈曲来说,该稳定折减系数能够较好的预测其承载力的下限。而对于畸变屈曲及畸变-整体相关屈曲(负偏心情况)来说,稳定折减系数对冷弯C型钢梁承载力的预测效果不是很理想,但对LSB钢梁承载力的预测效果与正偏心情况下的基本一致。
  最后,根据中国现行冷弯薄壁型钢规范(GB50018-2002)的有效宽度法,然后考虑双力矩影响后分别对冷弯C型钢梁和LSB钢梁进行了承载力计算,并将计算结果与现行规范未考虑双力矩影响的计算结果和有限元计算结果进行了对比。结果表明:冷弯C型钢梁未考虑双力矩影响的计算结果相对于有限元计算结果偏于保守,考虑双力矩影响的计算结果比较接近有限元计算结果但离散程度较大,计算结果不稳定。然后通过参数分析针对考虑双力矩影响的冷弯C型钢梁提出修正系数公式,经过修正的承载力计算公式更准确合理,变异系数也较小。而LSB钢梁未考虑双力矩影响得到的计算结果与ANSYS计算结果比较接近且较为安全,考虑双力矩影响的计算结果相对有限元结果偏大。
  
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