冷成型钢高温性能及其冷弯薄壁槽钢柱高温局部屈曲性能研究

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冷弯型钢在钢结构体系中拥有独特的优点:良好的加工性能、高效的截面形式、较低的材料消耗、绿色可循环利用、超薄和高强度兼顾等。随着国家大力推广钢结构体系应用于住宅及商业建筑,拥有得天独厚优势的冷弯型钢轻型结构体系在民用建筑中应用越来越广泛。虽然国内对冷弯薄壁型钢的需求量近年来持续增加,但是对冷加工钢材的研究起步却比国外晚了很久。特别是近些年来国内外火灾频发,这更加引起了人们对于钢结构建筑是否能在火灾下拥有足够的安全性产生了怀疑。现有的钢结构防火的主要措施为主动防火和被动防火,通过给钢构件喷涂防火涂料以及采用自动喷淋系统可以将火灾给建筑带来的损害降低。和普通的热轧钢材不同,冷弯型钢虽然通过冷加工可以获得更高的强度和更薄的截面,但是其延展性却受到了相应的限制,特别是其在高温下力学性能的急剧恶化导致其制作成的受力构件在火灾下迅速失效成为了轻钢结构体系推广的痛点。由极薄的冷成型钢板制作成的冷弯薄壁型钢柱作为轻钢结构体系中的主要受力构件,其承载能力更容易受到各种屈曲模式的影响。其中,短柱更容易受到局部屈曲的影响。但是,现有国内外冷弯薄壁型钢设计规范并没有给出冷弯型钢轴压短柱在高温下的局部屈曲承载力设计公式。为了丰富相关的研究内容,本文进行了以下研究:
  ①本文在高温下对厚度为0.42mm、0.55mm和0.95mm的G550级冷成型钢进行稳态拉伸试验。根据高温试验取得了G550钢的应力应变曲线,从曲线中分析得到了关键力学参数,包括弹性模量、屈服强度、极限应变、极限强度和断裂应变等。将得到的力学参数分别与国内外学者通过试验得到的研究结果和国内外规范推荐值分别进行了对比,发现规范所给出的预测值偏不安全。规范并不能准确地预测冷成型钢在高温下力学性能参数的折减值。其他学者的研究结果与本文的试验内容也存在着一定的差异。最后,基于本文的试验数据,提出了关键力学参数(屈服强度、极限强度和弹性模量)的预测模型。
  ②通过试验得到的力学参数和数值拟合技术,以Ramberg-Osgood模型为基础,建立了适用于G550级冷成型钢的高温本构模型。通过对比,本文建立的本构模型曲线与试验得到的应力应变曲线吻合良好,具有较高的准确性。
  ③通过引入本文建立的高强度冷成型钢高温本构模型,基于冷弯薄壁槽钢柱局部屈曲高温试验,使用有限元软件ABAQUS,建立了高温模型进行分析。经过验证,所建立的高温有限元模型具有准确性和适用性。
  ④基于经过验证有效的高温有限元模型,利用通过试验数据所建立的材料高温本构模型,对受到局部屈曲的冷弯薄壁槽钢柱进行高温参数化分析,以研究腹板宽度、翼缘宽度及卷边宽度对其极限承载力的影响。将有限元分析值与规范预测值进行对比,发现规范给出的预测偏保守。最后,基于直接强度法,对常温下的局部屈曲承载力设计公式进行了修正,使之能够应用于高温。
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