【摘 要】
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冷弯薄壁型钢因用钢量少、质量轻、抗震性能好、惯性矩大等优点广泛应用于建筑行业,尤其是轻钢房屋的建设。然而,许多处于工业环境的轻钢结构往往难以通过传统的防护和构造措施避免腐蚀,均出现了较为严重的锈蚀问题,进而影响结构的安全性。本文以工业环境下锈蚀9 a的C型檩条为对象,采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法,从材料和构件两个层面研究锈蚀对其静力性能的影响。主要内容如下:(1)通过对C型檩条弯角
【基金项目】
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“十三五”国家重点研发计划课题(2016YFC0701305)
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冷弯薄壁型钢因用钢量少、质量轻、抗震性能好、惯性矩大等优点广泛应用于建筑行业,尤其是轻钢房屋的建设。然而,许多处于工业环境的轻钢结构往往难以通过传统的防护和构造措施避免腐蚀,均出现了较为严重的锈蚀问题,进而影响结构的安全性。本文以工业环境下锈蚀9 a的C型檩条为对象,采用试验研究、理论分析与数值模拟相结合的方法,从材料和构件两个层面研究锈蚀对其静力性能的影响。主要内容如下:(1)通过对C型檩条弯角、腹板部位制作的50个标准试件进行拉伸试验,探讨锈损程度、类型、部位对其材料力学性能的影响。研究了钢材断裂形式、应力-应变曲线、力学性能指标等与锈蚀程度、类型、部位的关系,建立了锈损冷弯薄壁型钢钢材的本构模型,提出了锈蚀钢材屈服强度的计算方法。在此基础上,基于GEOMAGIC STUDIO对钢板锈蚀表面形貌逆向重建,并运用ABAQUS有限元软件,比较了锈蚀对不同钢材力学性能的影响。结果表明,锈蚀不仅会改变钢材断裂形式,而且导致钢材强度和延性指标等力学指标退化,其中锈蚀对弯角部位的影响远高于腹板部位。当锈蚀率达到36%时,弯角部位屈强比高达0.99,伸长率仅为2.8%。另外,点蚀对钢材延性的影响较大,而全面锈蚀对钢材强度的影响较大。锈蚀对冷轧材料的影响高于热轧材料。(2)通过对4组(8根)锈损冷弯薄壁型钢梁进行受弯承载性能试验,探讨不同锈损程度对钢梁承载性能的影响。研究了锈损钢梁破坏模式、荷载-位移(应变)曲线、承载性能指标与锈损程度的关系。结果表明,锈蚀钢梁破坏模式大致分为局部屈曲、畸变屈曲以及局部屈曲与畸变屈曲的相关屈曲模式;随着锈蚀程度的增大,试件的破坏模式由“先屈服后屈曲”到“直接屈曲破坏”、“脆性断裂”的转变。当锈蚀程度达到24%左右,钢梁下翼缘出现拉断现象;锈蚀引起材料厚度的减小以及表面凹凸不平的锈坑、受力不均使得试件的承载力降低,刚度减弱,并随着锈蚀程度的增加逐渐加剧。(3)运用ABAQUS有限元软件建立锈损冷弯薄壁型钢梁有限元模型,并与试验结果对比,验证了模型的正确性。基于有限元模型,研究了钢梁不同损伤位置、程度、类型对其破坏模式及承载性能的影响。结果表明,不同损伤位置、类型、程度钢梁的破坏模式不尽相同。相比于未锈钢梁,厚度损伤以及锈坑损伤均会造成承载性能的退化。其中相比于受拉区厚度损伤,受压区厚度损伤对承载力的影响更大。另外,锈坑虽对极限荷载的影响不大,但对屈服荷载、屈曲荷载影响显著,同时锈坑深度将影响结构的安全储备。
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