冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲性能研究

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本文对冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲性能进行研究,研究内容包括冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲试验研究和数值分析,以及畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲直接强度法研究。  在畸变-局部相关屈曲试验研究中,研究了27根名义厚度为1.5mm的冷弯薄壁卷边槽钢柱,试验参数为腹板宽度、卷边宽度和试件长度。试验进行了截面选择、实际尺寸测量、初始几何缺陷测量和材性试验,分析了试件的破坏模式、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线以及极限承载力。发生畸变-局部相关屈曲的试件,均先发生畸变屈曲,当荷载接近极限承载力时,试件上下端板处发生局部屈曲,并由两端向中部延伸,最终试件发生耦合失稳破坏。对于短试件和中长试件,局部屈曲半波长度大约等于腹板宽度;对于长试件,由于畸变屈曲带动腹板凸曲或凹陷,局部屈曲半波长度略大于腹板宽度,且试件中部腹板上凹凸的连续变形不明显。试件极限承载力随试件长度增加有降低趋势,但并不显著,适当增加卷边宽度能有效约束畸变屈曲,从而增加试件的极限承载力。  在畸变-整体相关屈曲试验研究中,研究了33根名义厚度为1.5mm的冷弯薄壁卷边槽钢柱。试验进行了截面选择、实际尺寸测量、初始几何缺陷测量和材性试验,分析了试件的破坏模式、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线以及极限承载力。所有试件只发生畸变-整体相关屈曲,试件先发生整体扭转屈曲,随着荷载增加试件发生畸变屈曲,但畸变变形较小,试件最终发生耦合失稳破坏。破坏时,所有试件均出现畸变塑性铰,由于初始几何缺陷以及畸变半波波数等原因,畸变塑性铰并不总在试件1/2高度处。试件的整体半波长度约为试件长度,畸变半波长度约为试件1/3 长度。虽然所有试件的弹性局部、畸变和整体屈曲临界应力大致相等,但并未发生局部-畸变-整体三者相关屈曲。  在畸变相关屈曲数值分析中,首先基于国内外已有的试验数据,对有限元模型进行合理性及有效性分析,然后对冷弯薄壁卷边槽形轴压构件畸变相关屈曲进行参数分析,研究了初始几何缺陷模式、初始几何缺陷数值、钢材屈服强度、板件厚度、试件长度、板件加劲以及边界条件对试件极限承载力和破坏模式的影响。分析结果表明:初始几何缺陷模式对试件的破坏模式起控制作用,初始几何缺陷值越大,试件极限承载力有降低趋势,但并不影响试件破坏模式;钢材屈服强度越高,试件极限承载力越高,但由于弹性临界应力的影响,低屈服强度钢材可能会改变试件的破坏模式;板件越厚,试件的极限承载力就越高,试件越不容易发生局部屈曲;试件长度对试件极限承载力有降低趋势,但对畸变-局部相关屈曲的极限承载力影响较小,对畸变-整体相关屈曲的极限承载力影响较大,且可能会改变试件的破坏模式;腹板加劲能有效阻止板件发生局部屈曲,提高板件的抗弯刚度,从而提高试件的极限承载力,但腹板加劲对阻止截面畸变屈曲和扭转屈曲的贡献较小;简支边界条件相比固支边界条件能改变试件的破坏模式,并能不同程度的降低试件的极限承载力,相比于畸变-局部相关屈曲,畸变-整体相关屈曲的极限承载力下降幅度更大。  采用本文试验结果和有限元数据,以及国内外已有的畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲、畸变-整体相关屈曲的试验数据,对现有直接强度法中畸变屈曲、畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲的极限承载力计算方法的准确性进行验证分析;提出了两种更为简洁的畸变屈曲极限承载力计算方法,建议方法 1 是基于现行直接强度法中畸变屈曲极限承载力公式形式,建议方法 2 是基于现行直接强度法中整体屈曲极限承载力公式形式。结果表明,建议方法均能有效地预测冷弯薄壁轴压构件畸变屈曲极限承载力,但建议方法 2 与试验数据和有限元数据更为吻合,并基于建议方法2,提出了畸变-局部相关屈曲和畸变-整体相关屈曲的极限承载力计算方法,且均与试验结果均吻合较好。  本文的主要创新点如下:  ①通过试验研究和有限元分析结合的方法对Q235和Q345冷弯薄壁型钢卷边槽形轴压构件畸变-局部和畸变-整体相关屈曲进行系统研究,获得试件的破坏模式和极限承载力,在国内外弥补了畸变相关屈曲在 Q235 和 Q345 钢材的试验研究,为国家相关规范的修订提供试验依据。  ②基于直接强度法,提出两种形式更为简洁的畸变屈曲极限承载力计算方法,这两种方法分别基于畸变和整体屈曲极限承载力计算公式形式,二者与试验和有限元结果吻合良好,并基于建议方法2提出畸变相关屈曲极限承载力计算方法。
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