发生局部-畸变耦合屈曲破坏的冷弯薄壁型钢柱的缺陷敏感性研究

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近年来,冷弯薄壁型钢由于重量轻、强度高、抗震性能好等优点,在装配式建筑结构领域得到广泛应用。冷弯薄壁型钢构件由于截面厚度薄,故而在生产、运输、安装过程中不可避免地会产生初始缺陷(包括残余应力及几何缺陷),这些初始缺陷的存在会在很大程度上削弱冷弯薄壁型钢构件的承载力,甚至改变构件的破坏状态,因此研究冷弯薄壁型钢构件的初始缺陷对于推广冷弯薄壁型钢结构的应用具有极为重要的意义。
  本文首先提出了一种新的冷弯薄壁型钢的缺陷模拟方法,用于在构件的有限元分析中合理地考虑不可避免的初始缺陷。利用该缺陷模拟方法,分别对现有的发生局部-畸变耦合屈曲破坏的40个腹板加劲型冷弯薄壁型钢柱以及10个C型截面柱进行有限元建模、初始缺陷考虑以及承载力计算,将有限元分析结果与试验结果相比较,验证了本文建议的缺陷模拟方法的准确性。然后,利用约束有限条法分别确定了224个发生局部-畸变耦合屈曲破坏的腹板加劲型冷弯薄壁型钢柱以及210个同样破坏类型的C型冷弯薄壁型钢柱的几何尺寸,将这些构件作为本文的研究对象,并采用本文提出的缺陷模拟方法分别计算这些冷弯薄壁型钢柱在不可避免的初始缺陷影响下的承载力(Pnum);接着,在这些冷弯薄壁型钢柱中分别引入不同的初始几何缺陷,利用有限元分析获得各构件在不同缺陷影响下的承载力(P缺陷),并将之与构件对应的Pnum进行对比,得出各种缺陷对构件承载力的影响;最后,利用目前使用最为广泛的冷弯薄壁型钢构件设计方法-直接强度法,分别计算各构件的承载力,将各构件承载力的直接强度法计算结果(PDSM)与构件的承载力Pnum相比较,衡量现有的针对于局部-畸变耦合屈曲破坏的直接强度法的准确性。
  通过研究,本文得出如下主要结论:(1)本文提出的缺陷模拟方法可以满足发生局部-畸变耦合屈曲破坏的腹板加劲型以及C型冷弯钢柱的承载力精度计算要求;(2)半波长数量为奇数的对称畸变屈曲类型缺陷对发生局部-畸变耦合屈曲破坏的腹板加劲型构件以及C型冷弯钢构件的承载力的破坏均较大。此外,不是所有的缺陷都会降低构件的承载力,有些局部屈曲类型缺陷甚至会提高构件的承载力;(3)尽管现有的针对于发生局部-畸变屈曲耦合破坏的直接强度法计算式的计算精度不一,但均可满足受压冷弯薄壁型钢构件的可靠度设计要求。本文的研究结论可为冷弯薄壁型钢构件的设计、生产以及相关的直接强度法计算式优化提供参考。
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