【摘 要】
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冷弯薄壁型钢组装式货架具有轻质高强、安装方便等优点,被广泛运用在物流仓储领域,而此类货架的立柱最常用的截面形式为Ω形,称为欧姆柱。薄壁板件经过多次弯折加工成欧姆柱后,可以在截面面积不变的情况下有效增大截面惯性矩。但在实际应用中发现,冷弯薄壁型钢欧姆柱的承载力通常由截面的屈曲性能决定;且与热轧型钢柱相比,前者不仅会发生整体屈曲,还会发生畸变屈曲和局部屈曲。目前世界上的主流规范均引入了直接强度法,可以
【基金项目】
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江苏省自然科学基金面上项目(BK20191268)
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冷弯薄壁型钢组装式货架具有轻质高强、安装方便等优点,被广泛运用在物流仓储领域,而此类货架的立柱最常用的截面形式为Ω形,称为欧姆柱。薄壁板件经过多次弯折加工成欧姆柱后,可以在截面面积不变的情况下有效增大截面惯性矩。但在实际应用中发现,冷弯薄壁型钢欧姆柱的承载力通常由截面的屈曲性能决定;且与热轧型钢柱相比,前者不仅会发生整体屈曲,还会发生畸变屈曲和局部屈曲。目前世界上的主流规范均引入了直接强度法,可以对纯压或纯弯的薄壁构件进行极限承载力计算。但对于整体结构而言,仍需借助有限元分析的手段。当在有限元分析中采用壳单元或实体单元建模时,可以反映构件截面的屈曲行为,因而分析精度较高,但耗时极长,难以运用到工程实践中;而采用普通的梁柱单元建模时,由于模型无法反映构件截面的屈曲行为,因此虽然耗时很短,但精度较差,给工程设计带来了安全隐患。本文针对以上矛盾,延续塑性铰法的思路,提出了一种能够反映构件截面屈曲行为的薄壁梁柱单元。在工程中运用这种单元进行有限元分析时,可以很好地平衡计算精度与计算成本,具有较高的实用价值。本文的主要内容如下:(1)按照工程中的常见规格建立了大量冷弯薄壁型钢欧姆柱的壳单元精细模型,在考虑不同的轴力弯矩荷载组合的情况下进行了非线性静力分析,提取出荷载位移曲线,并对欧姆柱的破坏形态进行了模式识别。结果表明多数货架结构中的欧姆柱均以畸变屈曲破坏为主,部分较长的欧姆柱为整体屈曲破坏,没有欧姆柱发生局部屈曲破坏。(2)按照等能量原理将荷载位移曲线拟合为双线性本构,以构件长细比、卷边长厚比、腹板板件宽厚比和轴力弯矩组合为自变量,以双线性本构的初始刚度、屈服刚度和屈服荷载为因变量,分别对畸变屈曲和整体屈曲两种破坏形态的双线性本构进行了相关性分析和回归分析,在此基础上提出了屈服面拟合公式。通过这些拟合公式并结合TPI-PMM极限承载力公式即可完整描述双线性本构。(3)利用OpenSees平台进行二次开发,在弹性梁柱单元的两端设置零长度连接单元,赋予其两种屈曲模式的双线性本构,形成了屈曲塑性铰,简称为“屈曲铰”,建立了能够反映冷弯薄壁型钢欧姆柱从开始加载到截面屈曲直至达到极限承载力全过程的薄壁梁柱单元,并通过立柱承压试验验证了这种单元的准确性和有效性。(4)将薄壁梁柱单元运用到整体货架结构的有限元Pushover分析中,建立了杆系有限元模型,并与货架推覆试验及ABAQUS混合单元货架模型进行了对比,发现它们的荷载位移曲线十分接近,破坏机理非常类似,但杆系模型的分析时间仅需数秒,在确保精度的情况下大大提升了计算效率。
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