基于ECBL理论冷弯薄壁型钢柱构件相关屈曲研究

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冷弯薄壁型钢构件因其自身优越的力学性能,不断成为仓储货架、低层住宅和轻钢厂房等建筑钢结构的重要组成部分,其失效模式和每种模式对应的极限荷载计算,一直是结构工程领域的研究热点。冷弯薄壁型钢柱构件受初始缺陷、截面形式和壁薄等因素的影响,受压会发生局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲以及它们之间的相关屈曲。长期以来,国内外学者就冷弯薄壁型钢柱构件局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲这三种基本屈曲失效模式对承载力的影响进行了广泛而深入的研究,已形成了有效宽度法和直接强度法设计理论。关于冷弯薄壁型钢的相关屈曲研究相对较少,直接强度法中只考虑了局部与整体屈曲的相关作用。现有的试验结果表明,冷弯薄壁型钢构件在压力作用下会发生局部-畸变相关屈曲、畸变-整体相关屈曲、局部-畸变-整体的相关屈曲,且相关屈曲对承载力的影响较明显,在设计时需要重点考虑。钢结构房屋建筑中,为方便电线、水管等生活辅助设施穿过,常在墙立柱腹板上开设孔洞。孔洞的出现会对构件的力学性能产生影响,开孔柱的弹性屈曲应力、屈曲半波长度、屈曲模式以及极限承载力等与未开孔构件有诸多不同。  针对上述问题,本文介绍了一种分析冷弯薄壁型钢柱构件相关屈曲的理论—临界分叉荷载侵蚀理论(ECBL理论),该理论考虑了试件在截面屈曲(局部屈曲或畸变屈曲)和整体屈曲(弯曲屈曲,扭转屈曲或弯扭屈曲)失效模式相互作用下的极限承载力,通过评估、量化构件的侵蚀因子(Ψ)和缺陷因子(α)使Ayrton-Perry方程表示的屈曲曲线适用于冷弯薄壁型钢构件。并在现有理论和试验数据的基础上,运用有限元软件ANSYS对开孔和未开孔冷弯薄壁卷边槽钢柱构件的屈曲失效模式和极限荷载的部分影响因素进行了模拟分析。本文的主要内容包括:  (1)总结了冷弯薄壁型钢构件的应用情况和基本特点,介绍了冷弯薄壁型钢柱构件各种屈曲失效模式及每种失效模式对应的极限荷载的计算方法的国内外研究现状。基于已有试验结果,验证了本文所建有限元模型的有效性。  (2)运用有限元软件ANSYS模拟分析了初始缺陷、开孔率、腹板与翼缘宽度的比值和长度等因素对冷弯薄壁卷边槽钢柱构件的力学性能的影响,并得出部分结论。  (3)基于ECBL理论,运用数值模拟和试验的分析方法验证了该理论对固支轴压钢构件的适用性,提出了各截面构件发生最大侵蚀的相关屈曲耦合范围以及更加贴合实际的畸变-整体相关屈曲曲线和局部-畸变-整体相关屈曲曲线。
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