Q620高强钢焊接箱型截面轴压短柱局部稳定设计方法—连续强度法

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近年来,高强钢在建筑结构以及其他诸如航空领域的应用越来越广泛。但是由于钢材屈服强度的提高,轴心受压构件的极限承载力由稳定性控制而非强度控制的特点愈加显著,而组成构件的板件的局部屈曲的研究是对构件整体稳定以及局部—整体稳定相关性研究的基础。目前国际上用于计算构件局部稳定极限承载力的方法以有效宽度法(欧规)和有效屈服强度法(美规)为主,但是这两种方法都没有非常有效的考虑板件间相互约束作用的影响。我国现行钢结构规范GB50017-2014为了防止板件发生局部屈曲,采用严格的板件宽厚比限值,使得高强钢轴心受压构件的材料性能无法得到充分利用。虽然该规范也有针对考虑局部屈曲后的计算方法,但是局部屈曲极限承载力的计算方法较为简单,没有充分考虑板件间相互作用的影响以及对于工字形截面的翼缘的局部屈曲计算没有给出计算方法。本文通过轴心受压试验以及有限元数值分析的研究方法,对Q620E高强钢焊接箱型轴压构件的局部稳定性能进行了补充试验,并收集大量国内外已有高强钢轴压短柱的试验数据,根据Gardner提出的连续强度法的思想(该方法基于构件的变形能力,并且有效利用了材料的强化效应),提出一种适用于高强钢轴压构件的考虑局部屈曲的构件极限承载力计算方法。本文主要工作以及成果如下:(1)综述了现有国际上的一些主流规范(美规、欧规、中规)对于局部屈曲极限承载力的计算方法(包括有效宽度法以及有效屈服强度法);阐述了近些年新提出的直接强度法和连续强度法的发展以及其核心思想,为将其用于高强钢轴压短柱局部屈曲极限承载力的计算提供理论基础。(2)对8个Q620E高强度钢材焊接箱型(方形)截面短柱(板件均未超过宽厚比限值)进行了轴心受压加载试验,对取自原板材轧制方向的3个材性试件进行了材性拉伸试验并获得试验数据。通过平整的铣床和水平移动的百分表测量获得构件局部几何初始缺陷幅值;通过轴压试验得到构件的局部屈曲极限承载力,并通过分析荷载—竖向位移曲线,得到连续强度法的必要参数(全截面长细比以及截面变形能力)。(3)采用有限元软件ABAQUS 6.13对文中Q620E高强钢焊接箱型截面短柱进行了模拟分析,分析中考虑了焊接残余应力和初始几何缺陷的影响,并与试验结果对比验证了有限元模型的可靠性。(4)利用已验证的有限元模型对焊接箱型截面轴压短柱构件局部稳定性能进行参数化分析,研究了初始几何缺陷以及焊接残余应力对Q620E高强钢箱型截面短柱极限承载力和极限位移等受力性能的影响。(5)介绍了有限条软件CUFSM的使用,用于得到全截面弹性临界应力,然后计算了收集的试验数据的连续强度法基本曲线的横坐标全截面长细比。(6)通过本文试验的数据以及收集的国内外高强钢短柱试验的数据,根据连续强度法的核心思想,提出适用于高强钢的连续强度法本构模型以及连续强度法基本曲线,用于计算高强钢轴压短柱局部屈曲极限承载力,并验证了本构模型的准确性以及对本构模型的参数进行了敏感性分析。(7)将连续强度法的计算结果与各国规范的计算方法进行了对比,总结和分析了各个方法的优缺点。
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