冷弯薄壁槽钢腹板压屈及弯压有限元分析和设计

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本文采用非线性有限元方法研究了冷弯薄壁槽钢腹板压屈、纯弯和弯压共同作用时的力学行为和设计方法,目的是通过大量的有限元参数分析结果验证现行规范公式在某一特定参数范围内的适用性。首先利用ANSYS程序建立了构件的非线性有限元模型,模型中包含了几何和材料双重非线性。并通过试验结果来验证有限元模型的正确性,分析的结果表明有限元模型的极限承载力、荷载-腹板变形曲线以及失效形态均与试验结果吻合良好。然后用经过试验验证的“基准”有限元模型,进行了大量的参数分析,每种工况的参数分析都计算了52种不同截面共104个构件。利用试验和参数分析结果对现行国内外冷弯薄壁槽钢腹板压屈、纯弯和弯压共同作用设计规范公式的适用性进行了分析和讨论。分析表明:在腹板平直高厚比h/t=7. 8-108. 5范围内,北美冷弯薄壁型钢结构设计规范中关于单腹板无卷边槽钢的腹板压屈设计公式(EOF和IOF工况)是偏于不安全的。本文利用有限元参数分析结果对该规范公式的系数进行了修正,修正后规范设计公式的可靠度指标满足要求。分析结果还表明,Young和Hancock建议的腹板压屈设计半经验式的公式,当参数h/t大于45时也是偏于不安全的。因此本文基于腹板压屈试验和有限元参数分析的结果,建议了一个新的半经验式的腹板压屈设计公式,可适用于h/t参数在7. 8-108. 5范围内变化,同时按新公式设计的可靠度指标(安全系数)也满足要求。中国现行钢结构设计规范和冷弯薄壁型钢结构技术规范中都没有专门针对腹板压屈的设计公式。在比较两种规范的受弯构件截面验算设计公式后发现钢结构规范公式更适合于腹板压屈的设计,因此利用其计算了腹板压屈的极限承载力,并与参数分析结果进行了比较。结果表明中国钢结构规范受弯梁局部受压的设计公式用于冷弯薄壁槽钢腹板压屈设计是偏于不安全的。因此本文建议在现行进行冷弯薄壁槽钢梁腹板压屈设计时,可以参考北美冷弯薄壁型钢结构设计规范或本文建议的设计公式。由全文的分析可以看出,非线性有限元方法是分析冷弯薄壁槽钢腹板压屈、纯弯和弯压共同作用行为的一种省时、有效的方法。经过部分试验验证的有限元模型可以用来进行更为广泛的参数分析,在很大程度上可以代替重复和费时的物理试验。
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