门式刚架柱滞回性能研究

根据门式刚架楔形H型钢柱失稳时局部和整体相关屈曲的特点,提出能考虑其相关屈曲特征和滞回性能的数值模拟方法.通过8根大宽厚比楔形钢柱的试验结果与数值模拟和理论数值解的比较表明,数值模拟方法是一种研究大宽厚比楔形构件滞回性能的有效方法.选取一组工程常用构件进行往复荷载作用下的数值模拟分析,比较腹板宽厚比的影响,认为此类构件具有一定的延性和耗能性能,证明《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中的相关规定偏于不安全.     

焊接H形截面钢柱板组弹塑性相关屈曲和容许宽厚比

建立了竖向轴压力和单调水平荷载作用下焊接H形截面悬臂钢柱板组弹塑性相关屈曲的有限元分析模型,通过改变轴压比、翼缘宽厚比、腹板高厚比及翼缘-腹板厚度比等参数,对非特厚实截面钢柱进行几何非线性和材料非线性有限元分析.然后,基于分析结果,利用最小相对误差拟合法得到极限弯矩比的实用计算公式.最后,基于整体-局部等稳原则导出板组容许宽厚比相关曲线方程,并通过算例对容许宽厚比相关曲线与钢结构设计规范的翼缘和腹板宽厚比限值曲线进行比较.结果表明:构件长细比较小时,规范规定的翼缘和腹板宽厚比限值可能超出容许宽厚比相关曲线限定的范围;翼缘宽厚比与腹板高厚比限值相关,并且两者均随轴压比、翼缘-腹板厚度比、构件长细比、塑性发展系数的变化而变化.     

轴心受压钢构件高温下局部稳定设计方法

为了得到钢构件高温下局部稳定设计方法,通过试验对建立的有限元模型进行了验证。采用验证后的有限元模型,分析了温度、板件宽厚比、初始几何缺陷、腹板和翼缘相互作用等因素对H形截面轴心受压钢构件局部屈曲应力的影响,提出了Q235钢和Q460钢H形截面轴心受压构件高温下的局部稳定承载力简化计算公式和高温下防止局部屈曲的翼缘宽厚比和腹板高厚比限值。研究表明:当板件宽厚比较小时,构件的局部屈曲应力随宽厚比的增大迅速减小,宽厚比较大时,构件屈曲应力降低不明显;初始几何缺陷对构件局部屈曲应力影响较小;高温下翼缘对腹板屈曲的约束作用比常温下明显;高温下防止局部屈曲的宽厚比限值与常温下宽厚比限值不同。     

偏压作用下碳纤维布加固H型钢柱承载力分析

随着时代的飞速发展,世界上采用钢结构体系的建筑数量急剧增加。考虑到许多采用H型钢柱的钢结构的建筑其柱构件可能会发生老化或者建筑本身改变使用功能后钢柱承载力可能不足,故本文对碳纤维布（carbon fiber reinforced plastic)加固偏压H型钢柱进行了理论推导和试验研究工作,通过参考已有规范和采用等代的思想将碳纤维增强复合材料面积转化为相应的钢材面积,得出偏压H型钢柱经碳纤维增强复合材料加固后极限承载力计算公式,并将理论推导的计算结果和实际试验的观测结果进行对比,计算值和试验值的误差稳定在一定范围内,证明了公式计算的准确度。本文讨论了不同碳纤维增强复合材料加固层数和不同偏心距对H型钢柱加固后极限承载力的影响,研究表明碳纤维增强复合材料加固偏压H型钢柱会提高钢柱的承载能力,但随碳纤维增强复合材料层数的增加,承载能力提升的幅度会逐渐变小;碳纤维增强复合材料对偏心距较大试件的加固效果明显强于偏心距较小试件的加固效果。通过理论推导与试验表明碳纤维布加固法是在几乎不影响原钢构件受力性能情况下加固钢构件的较好方法之一。     

H型钢柱梁节点试件的抗震性能分析

为明确不同节点域强度H型钢柱梁节点试件的抗震性能,通过5组不同节点域强度H型钢柱梁节点试件的加载试验,从试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度退化及能量耗散系数等多方面开展研究。结果表明:随着节点域强度提升,试件的屈服强度和初始刚度提升,而变形能力递减。节点域与梁强度比Rpjb在0. 8～0. 95范围内时,试件的延性较好;同时,Rpjb≥0. 8的各试件的最大承载力值接近;建议Rpjb控制在0. 9左右。     

反复水平荷载作用下偏心常轴压箱形钢柱抗震性能试验研究

通过4组16根箱形钢柱在偏心常轴压、柱顶反复水平荷载作用下的拟静力试验,研究轴压比、腹板宽厚比、柱顶弯矩等因素对箱形柱滞回性能的影响.试验表明,当柱顶轴力在腹板平面外的偏心小于b/8(b为翼缘板宽度)时,试件壁板屈曲变形为一个半波,腹板外凸,翼缘板内凹,变形基本对称.试件的塑性变形主要集中在柱根部区域,最大塑性变形一般出现在距固定端0.4～0.5h(h为腹板宽度)处.腹板宽厚比是影响构件抗震性能的主要因素,宽厚比越大,滞回曲线越不饱满,骨架曲线下降越陡,承载力及刚度退化越严重;轴压比的影响次之;柱顶弯矩的影响较小.根据试验结果,提出构件适用于四类抗震等级的定量判定标准及大跨度钢结构中箱形钢柱腹板宽厚比的设计建议.     

Q690D钢材箱形截面框架柱抗震性能

为了评价Q690D钢材箱形截面框架柱的抗震性能，在对3个焊接箱形截面钢柱进行低周往复加载试验的基础上，利用经试验结果验证的有限元建模方法，建立30个覆盖4个抗震等级的不同板件宽厚比的有限元数值模型，分别从滞回反应、骨架曲线、延性系数以及塑性发展等方面进行抗震性能分析. 结果表明，Q690D钢材箱形截面框架柱的延性系数较小，在1.68~2.55之间，当轴压比较大时，极限层间位移角会出现小于0.02的情况，不能满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中对钢结构弹塑性位移角限值1/50的要求，在高强钢应用于抗震设计时建议限制轴压比最大不超过0.5；截面塑性发展系数以及构件延性会随着壁板宽厚比以及轴压比的增大而减小. 《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）仅采用壁板宽厚比来区分抗震等级是不合理的，需考虑轴压比不同对抗震性能的影响.     

H形截面钢构件绕弱轴抗弯承载力

对H形截面钢构件绕弱轴弯曲的性能进行研究,考虑了抗弯承载力与板件宽厚比之间的关系.基于经实验校准的非线性有限元模型,模拟了不同翼缘和腹板宽厚比组配的H形截面钢构件绕弱轴弯曲的全过程,并对破坏模式进行了机理分析.研究发现,对于工程中常用的H形截面钢构件,极限前性能主要由翼缘宽厚比决定;极限后翼缘和腹板之间存在显著的相关作用.最后,给出了绕弱轴弯曲时可达到塑性抗弯能力的H形截面钢构件宽厚比上限值,并提出了有效塑性宽度计算法计算H形截面钢构件绕弱轴弯曲的极限抗弯承载力.     

冲击波和预制破片联合作用下H型钢柱抗爆设计

为分析近距爆炸冲击波和预制破片联合载荷作用下H型钢柱的抗爆性能,基于非线性有限元软件ANSYS-LSDYNA,采用参数化研究方法,在圆柱型炸药外侧设置预制破片,对钢柱的截面尺寸、炸药的比例距离和钢柱的防护加固进行定量研究。研究结果表明:在相同用钢量下,为提高钢柱的抗爆能力,应尽量选择翼缘宽度小于等于腹板高度的截面类型;腹板厚度较厚时,钢柱不易发生屈曲失稳破坏;较小的高厚比和宽厚比有利于提升钢柱的抗爆性能;在比例距离相同时,炸药量对钢柱的抗爆性能影响较大,在钢柱抗爆设计时应将炸药量作为主要考虑因素;在炸药量相同时,随着距离因素R增加,钢柱的破坏程度逐渐降低,但最终破坏作用呈现趋同的效果;在距离因素R相同时,随着炸药量的增加,钢柱的破坏程度逐渐加重,且破坏效果具有加速破坏效应。外粘CFRP材料对H型钢柱防护效果良好,从经济性考虑,黏结1层CFRP板就能起到很好的防护效果。     

轴心受力H型钢PEC组合柱承载能力分析

近年来国内对型钢混凝土组合结构的研究应用已经非常广泛,但就型钢混凝土部分外包组合柱的研究仍较少。为了研究H型钢混凝土组合截面部分外包组合柱(PEC组合柱)的极限承载力、稳定性及刚度,利用有限元ANSYS软件,对3组共18根构件(12根PEC组合柱,6根H型钢柱)进行单向轴心受压模拟试验,观察了试件加载后的变形情况及截面应力云图,提取数据绘制出型钢对混凝土的约束曲线。根据模拟结果分析了试件的强度承载力、稳定性承载力及刚度等力学性能。为了验证模拟的可靠性,选取1 m不同截面的两根PEC组合柱进行轴向加载试验。结果表明:PEC组合柱具有较好的变形能力;PEC组合柱的强度承载能力、稳定性及刚度比单独型钢柱均有提高;混凝土对防止型钢柱的局部屈曲起良好作用;型钢对混凝土的约束能力随型钢的高宽比的减小而增加;试验结果与模拟结果吻合较好,证实了模拟的可靠性。研究为后续的试验研究提供了合理的理论依据和参考。     

板件宽厚比对高层钢结构压弯构件滞回性能的影响

根据能量等效性假设及热力学第二定律，推出损伤材料的弹性本构方程；采用混合强化准则，考虑Bauschinger效应、屈服平台、硬化(软化)效应及损伤和损伤演化影响，建立了结构钢弹塑性各向异性损伤本构关系．结合构建的本构关系，采用八节点超参数壳体单元，推导了用U．L．格式及Cauchy应力描述的板壳双重非线性有限元方程，并编制了计算程序．分析了翼缘宽厚比、腹板高厚比对工形截面钢压弯构件滞回性能的影响，提出了压弯构件板件宽(高)厚比限值公式及相关公式．     

不同板件宽厚比H型钢梁在冲击作用下的动态响应分析

通过Abaqus软件创建了钢梁受冲击的三维有限元模型,与霍静思教授的试验结果相比较验证了模型的有效性。基于该模型从冲击力时程、跨中挠度时程和不同板件塑性变形耗能三个方面进行分析,研究了腹板高厚比、翼缘宽厚比、边界条件和长度对H型钢梁在冲击作用下的动态响应。分析表明在截面外尺寸不变的情况下,随着腹板高厚比的增加,冲击力峰值、平台值下降;冲击力持续时间增加,翼缘宽厚比规律与腹板高厚比类似但影响程度要小于腹板高厚比。当钢梁两端固定或一端固定一端铰支时,钢梁各板件的塑性耗能从大到小依次为:腹板、上翼缘、下翼缘;但随着钢梁两端约束作用减弱,下翼缘的耗能逐渐增大。当钢梁两端铰支时,随着长度的增加,腹板、上翼缘、下翼缘的塑性耗能发生两次转变,下翼缘的耗能超过腹板成为钢梁的主要耗能板件。     

Q690D高强钢箱形截面柱的滞回性能

为深入研究Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回性能,在低周反复加载试验的基础上,对Q690D高强钢焊接箱形截面柱在低周反复荷载作用下的滞回反应进行有限元模拟,从试验和有限元分析所得的滞回曲线和骨架曲线看,Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回曲线饱满,耗能能力良好.通过和试验结果的对比,验证了所建有限元模型的正确性.利用已验证的有限元模型分析了轴压比、构件长细比、壁板宽厚比对高强钢焊接箱形截面柱滞回性能的影响,分析结果表明高强钢柱的二阶效应影响不可忽略.在试验与有限元分析的基础上,提出Q690D高强钢焊接箱形截面柱的弯矩-曲率滞回模型,为Q690高强钢结构的弹塑性地震反应分析提供依据.研究结果表明,该滞回模型能够准确预测Q690D高强钢焊接箱形截面柱的滞回性能.     

钢框架梁局部屈曲损伤描述材料本构分析

在罕遇地震分析中,考虑构件的损伤退化特征对提高杆系模型的计算准确性显得尤为重要,因此,如何利用有限元准确地模拟构件局部屈曲的退化现象是进行参数分析并提取退化模型的重点所在,而钢材的本构关系则是其中的基础.采用通用有限元软件ABAQUS,对比分析不同本构模型的计算结果与典型局部屈曲退化试验结果,提出能够准确计算循环荷载下局部屈曲退化行为的钢材本构模型.在校准模型的基础上,通过参数分析,探讨影响构件局部屈曲损伤退化的因素,提出不同控制因素下损伤退化规律,为提出考虑损伤退化的杆系模型提供有力的工具.分析结果表明:翼缘宽厚比、强屈比以及腹板高厚比会一定程度影响局部屈曲退化现象,其中翼缘宽厚比对其最终退化程度有明显影响,但屈服强度对退化过程影响不大.     

及有限元参数化分析

为研究实腹式型钢混凝土(SSRC)十字形异形柱的抗震性能,对4个不同轴压比、配钢率、加载方向的SSRC十字形异形柱进行了低周反复加载试验,分析了各试件的破坏形态、滞回性能、骨架曲线、位移延性.试验结果表明:当剪跨比较大时,试件发生弯曲破坏;试件的滞回曲线比较饱满;位移延性系数均大于3,破坏位移角在1/28~1/16之间.采用ANSYS对试件进行有限元分析,考虑型钢与混凝土之间的粘结滑移,分析比较了轴压比、配钢率及加载方向三个参数对试件承载力及延性的影响,有限元分析结果与试验结果吻合较好.试验及有限元分析均表明:SSRC十字形异形柱具有良好的延性、塑性变形能力,可以应用于高抗震设防烈度区的多高层建筑中.     

近海大气环境下锈蚀钢柱抗震性能试验研究

为了研究近海大气环境下锈蚀钢框架柱的抗震性能,通过人工气候环境模拟试验技术对6榀钢框架柱进行了近海大气环境下的加速腐蚀,并对腐蚀后试件进行低周往复加载试验,研究了不同锈蚀程度和轴压比对钢框架柱破坏机理、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性及耗能能力等指标的影响.试验结果表明：随着锈蚀程度增加,试件底端翼缘屈曲、腹板鼓曲及塑性铰形成所对应的位移呈减小趋势;试件承载能力、变形能力及耗能能力均有所降低.此外,随着轴压比的增大,试件发生局部屈曲现象提前;承载力及延性显著降低,强度和刚度退化速率加快,耗能变差.基于试验结果,初步确定锈蚀钢框架柱不同抗震性能水平和性能指标量化限值.研究成果为近海大气环境下在役钢框架结构的抗震性能评估提供了试验支撑.     

梁腹板开圆孔节点的分析模型

在距柱表面一定距离的梁腹板上开设一定大小的孔洞是改善钢框架结构抗震性能的一种有效手段,文中结合试验结果提出了梁腹板开圆孔节点的分析模型.为了能够在结构的弹塑性分析中考虑梁腹板开圆孔节点的影响,除在梁端、柱端设置塑性铰外,还应在腹板孔削弱处增设塑性铰.新增塑性铰位于腹板削弱区域最危险截面处,其弯矩-转角关系与普通实腹式钢梁一致,仅屈服点存在一定的差异.利用该模型对梁腹板开圆孔节点的拟静力试验及含梁腹板开圆孔的钢框架抗震性能试验进行了模拟,其结果能满足工程要求.     

不锈钢工字形截面构件轴心受压整体稳定计算方法

为了研究不锈钢工字形轴心受压构件的整体稳定承载力,采用ANSYS软件建模对不锈钢轴压构件进行非线性有限元模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,验证了所建立的有限元模型的准确性.采用经试验验证的有限元模型对不同几何初始缺陷、截面残余应力、材料力学性能、截面宽厚比以及长细比的不锈钢工字形构件整体稳定承载力进行了参数分析,通过对比可确定材料力学性能、构件长细比为主要影响承载力的因素.在参数分析的基础上通过稳定承载力的数据拟合提出了整体稳定系数的三段式计算方法,并将该计算方法与试验数据进行对比,表明此计算方法可以较为准确地计算不锈钢工字形轴心受压构件整体稳定承载力.