腹板开孔冷弯薄壁卷边槽钢轴压柱稳定性能研究

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为方便生活辅助设施在轻钢结构中通过,需要在冷弯薄壁型钢构件的腹板上开设孔洞。受到孔洞、薄壁、宽厚比大、截面形式复杂等因素影响,构件容易发生屈曲失稳。屈曲模式包括三类:整体屈曲、畸变屈曲和局部屈曲,它们常常以两两之间甚至三种耦合的模式出现,这种耦合作用会影响构件的稳定承载力和稳定性能。本文旨在基于直接强度法,提出一套适用于计算开孔冷弯薄壁型钢轴压构件稳定承载力的新思路。稳定承载力的设计计算方法包括有效宽度法和直接强度法,各国规范多采用有效宽度法。直接强度法直接按全截面特性计算,考虑了局部屈曲的作用,并将畸变屈曲模式作为独立的影响因素纳入考虑,大幅度简化计算过程,弥补了有效宽度法的不足。直接强度法基于弹性屈曲临界力直接计算构件稳定承载力,弹性屈曲参数是冷弯薄壁型钢构件理想模型的理论结果。通用有限元法可用于屈曲分析,并不能有效地对其屈曲结论的属性和屈曲参数的类别给出必要的判断,难以实用。这使得广义梁理论、有限条法等弹性屈曲参数的近似计算方法得到广泛的应用,如Schafer领导开发的有限条分析软件CUFSM,这些近似计算方法并不能准确考虑腹板开孔的情况。本文开展了30根腹板开孔和未开孔的中短长度冷弯薄壁型钢试件的轴压试验,测得极限承载力、荷载-位移曲线、腹板和翼缘的位移,并记录变形情况。C1截面短柱发生整体和畸变耦合失稳,C2截面短柱发生局部和畸变耦合失稳,C1截面中长柱发生整体失稳。试验结果表明:长度、板件宽厚比、卷边、孔型、孔径等参数影响试件的极限承载力和屈曲模式。本文还对30根试件开展有限元模拟,通过对比证明了有限元模型能较好地模拟试件的实际受力情况。腹板开孔改变了冷弯薄壁型钢轴压柱的极限承载力和屈曲模式,过往通过加权平均截面特性和修正有限条模型,计算弹性屈曲临界力。大量的试验数据和有限元模拟结果,表明孔洞和边界条件对畸变屈曲和局部-整体相关屈曲产生显著影响。非弹性状态下,孔洞处的净截面变成限制极限承载力的薄弱截面,对此提出了六个直接强度法修正方案。当前,通过基于近似模型的简化方法计算开孔冷弯薄壁型钢构件的弹性屈曲参数,影响了弹性屈曲参数的准确性,进而影响了稳定承载力计算的准确性。为提高稳定承载力计算的准确性,有必要精细化模型开展弹性屈曲参数分析,基于假想力特征的屈曲模式识别方法为此提供了必要的条件。另一方面,计算对比六种直接强度法修正方案,确定一个最有效的方案,提高稳定承载力计算的准确性水平。
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