焊接H型钢蜂窝短柱轴压性能研究

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H型钢作为一种高效型材,断面更经济,强重比也更加合理,已经被广泛运用在各类建筑中。同时与实腹式构件相比,蜂窝构件的使用,不仅使管线系统和设备可以方便通过,以此来减小楼层高度,孔洞的开设还大大减轻了结构的自重,另外,蜂窝型组合柱的使用也使得建筑物更具美感。近年来有许多学者对蜂窝梁的力学性能进行了系统的研究,但是对蜂窝柱力学性能的研究还比较少,为了弥补这方面的空白,开展了焊接H型钢蜂窝短柱轴压性能研究,本文主要的研究工作如下:(1)完成了139根焊接H型钢蜂窝短柱的设计及制作,并对所有试件进行了轴压静载试验。根据加载后观察到的试验现象,总结了试件典型破坏模式。研究表明,随着开孔率的增大,试件极限承载力降低,下降幅度多在13.5%以内。(2)在试验的基础上,依据绘制的荷载-位移曲线得出了各试件的初始刚度、延性系数、极限承载力等一系列数据,研究了开孔率、边孔孔心至柱端距离、腹板高厚比和翼缘宽厚比对焊接H型钢蜂窝短柱力学性能的影响。研究表明,当开孔率较大时,在开孔率一致的情况下,存在一个最佳的孔洞分布,使蜂窝短柱极限承载力最大;在试验范围内,试件初始刚度受翼缘宽厚比影响较大;试件后期承载力下降速率随开孔率的增大而增大;腹板高厚比对延性系数影响较大。(3)对18根试件在不同测点粘贴电阻应变片,并采集各测点的应变数据,绘制荷载-应变强度曲线。在此基础上,研究各变量对试件应力分布的影响,分析蜂窝短柱应力分布规律,从而了解蜂窝短柱在轴向荷载作用下的破坏机理。研究表明,试件极限承载力下降的主要原因为中孔边缘与翼缘板之间形成的薄弱区应力集中,从而引起极限承载力的下降;中孔两侧靠近翼缘的部分和翼缘中部的应力较大;相对腹板高厚比而言,减小翼缘宽厚度比更能有效降低孔周应力集中的影响。(4)通过ABAQUS有限元软件对37个焊接H型钢蜂窝短柱试件进行数值模拟,建立有限元模型,并利用试验研究的结果对模型进行校核,然后以高厚比、开孔直径、开孔位置为参数重新设计了52个试件,进行参数分析。研究表明,有限元模拟结果与试验结果较为吻合;试件极限承载力随腹板高厚比的增大而降低,且随着腹板高厚比的增大,极限承载力的下降速率减缓。(5)在已有的试验及有限元研究成果的基础上,通过SPSS软件多元回归分析得到试件的极限承载力折减系数,从而建立该类试件的轴压极限承载力计算公式,且该公式具有一定的精度和保守性。
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