不锈钢冷弯薄壁型钢轴心受压和压弯构件理论分析与试验研究

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随着我国经济的迅速发展,人们对建筑外观要求越来越高。不锈钢以其良好的力学性能、完美的表面装饰性、超强的耐腐蚀性,在建筑领域获得越来越广泛应用。目前我国对不锈钢材料力学性能和构件的性能研究尚不深入,还没有形成一本设计规程来指导不锈钢结构的设计。本文基于以上背景对不锈钢受压构件及压弯构件的受力性能进行了深入的研究。   本文在搜集并分析了国内外不锈钢受压构件和压弯构件试验数据的基础上,对三本代表性的不锈钢结构设计规范(《美国冷成形不锈钢设计规范》(SEI/ASCE8-02)、《欧洲不锈钢结构设计规范》(EN1993-1-4:2006)和《澳大利亚冷成形不锈钢结构设计规范》(AS/NZS4673:2001))中受压构件和压弯构件的设计方法进行了对比。对比分析表明:在构件长细比较小时,三本规范的轴心受压构件设计值存在较大的差别,其中欧洲规范计算设计值最高;三本规范压弯构件设计公式中的压-弯相互作用系数存在较大的差别。基于国产的不锈钢材料S30408,本文进行了28个不锈钢试件材料力学性能试验、12个轴心受压短柱试验、31根轴心受压长柱试验。材料力学性能试验结果表明,修正的两阶段R-O材料模型能够很好地模拟不锈钢材料的非线性应力-应变关系;冷加工后的不锈钢材料强度有明显的提高。对比本文长柱试验结果与三本规范及K&R公式的设计值发现,采用试验得到的材料力学性能参数计算,大部分构件的实测承载能力高于规范的计算结果,其中K&R公式的计算精度最高。   本研究采用有限元软件ANSYS对文中不锈钢轴心受压短柱和长柱构件进行了模拟分析,分析中考虑了多种材料力学性能组合和缺陷取值,分析结果表明,采用短柱试验(或压缩材性试验)获得的材料力学性能和合理的分析模型后,本文的有限元模型能够反映不锈钢受压构件真实的受力性能。通过有限元软件对影响不锈钢受压构件极限承载力的主要因素进行了参数分析,发现不锈钢材料的力学性能参数变化对不锈钢受压构件稳定承载力影响很大。基于有限元模型,参考K&R公式的提出思路,本文针对常用不锈钢材料力学性能分布范围,计算了30种不同材料力学性能的稳定承载能力曲线。依据上述计算结果,结合修正正则化长细比的概念,本文拟合了不锈钢受压构件修正正则化长细比与正则化长细比的换算关系式。从本文提出的设计公式与国内外试验的对比中可以看出,本文提出的设计公式具有较高的精度,平均预测值为试验值的93%。   本文对不锈钢压弯构件弯矩作用平面内稳定的设计方法进行了初步的探讨,重点关注国内外钢结构设计规范中压弯构件弯矩作用平面内稳定的设计方法,对比分析表明,三本规范中的设计方法与相应的冷成形钢结构设计规范中设计方法相同或仅作少量的简化。因此本文基于我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)中压弯构件的相应规定,引入本文得到的轴心受压构件设计公式,提出了不锈钢压弯构件弯矩作用平面内稳定的设计建议公式。从本文提出的公式计算结果与已有的试验数据对比可以看出,本文提出的设计公式与三本不锈钢设计规范具有相近的精度。
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