轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱受火性能分析

针对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱受火性能进行了分析.结果包括各参数对约束钢柱轴力—温度关系曲线,跨中弯矩—温度关系曲线,约束钢柱破坏温度,无约束钢柱与约束钢柱破坏温度之差,以及约束钢柱破坏温度与屈曲温度之差等的影响.主要结论为:约束钢柱屈曲前,轴力基本线性增加,截面弯矩变化较小,约束钢柱屈曲后,截面弯矩突然增大;轴向约束减小钢柱的破坏温度,并随约束刚度的增加,钢柱的破坏温度逐渐减小,但是存在临界轴向约束刚度比,当大于该临界约束刚度比时,轴向约束刚度比的大小对钢柱的屈曲温度影响很小;随着轴向荷载比和弯矩荷载比的增加,约束钢柱的破坏温度减小;端部弯矩比对约束钢柱的破坏温度影响较小.     

约束钢柱火灾下受力性能的参数分析

利用验证了的有限元模型对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱火灾下的受力性能进行了参数分析。 考虑的参数包括轴力荷载比,弯矩荷载比,轴向约束刚度比,转动约束刚度比, 长细比和端部弯矩比等。参数分析的结果包括各参数对钢柱的轴力－温度关系曲线和跨中截面－温度关系曲线的影响, 以及各参数对约束钢柱的 临界温度,无约束钢柱与约束钢柱临界温度之差,约束钢柱的临界温度与屈曲温度之差的影响等。 主要结论为：(1) 约束钢柱屈曲前,轴力基本线性增加,截面弯矩变化较小;(2) 约束钢柱屈曲后,截面弯矩突然增大,钢柱处于轴力和弯矩的共同作用下;(3) 轴向约束减小约束钢柱的临界温度,并且随之轴向约束刚度的增加,钢柱的临界温度逐渐减小,但 是存在一个临界轴向约束刚度比,当轴向约束刚度比大于该临界轴向约束刚度比时,轴向约束刚度比的大小对 钢柱的屈曲温度影响很小。     

轴向约束钢框架柱火灾升温下屈曲后性能研究

提出了一种改进的Jezék方法,用于火灾升温下轴向约束钢框架柱屈曲后性能分析,高温条件下钢材的应力-应变关系考虑了钢柱屈曲后凸侧可能出现的卸载现象.对轴向约束钢柱的参数分析表明,随着约束刚度的增大,钢柱附加轴力增大,屈曲温度降低,但轴向约束对屈曲后性能影响很小;荷载比大的构件抗火性能差,屈曲温度低,屈曲后轴力下降迅速;长细比小的构件,屈曲后轴力下降缓慢,屈曲后抗火性能显著提高;初弯曲大的构件,屈曲温度低,附加轴力小.在局部火灾下,利用约束钢柱的屈曲后性能,可显著提高其抗火性能.     

考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下屈曲温度与临界温度研究

通过参数分析研究考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下的屈曲温度与临界温度。考虑转动约束刚度比、轴向约束刚度比、荷载比,建立约束钢柱有限元模型,并采用文献中的试验进行验证。研究结果表明,约束钢柱静力分析和显式动力分析的屈曲温度几乎一致,而由静力分析得到的临界温度略小于由显式动力分析得到的临界温度,差别在30℃以内。随着转动约束刚度比的增大,屈曲温度与临界温度均上升,并且转动约束刚度比对临界温度的影响更大。随着轴向约束刚度比和荷载比的增大,约束钢柱的屈曲温度和临界温度均出现明显下降。基于参数分析的结果,在已有文献中关于钢柱屈曲温度和临界温度计算公式的基础上,提出新的屈曲温度和临界温度计算公式,提出的计算公式预测结果与本文有限元模拟结果吻合较好,利用试验数据对提出的屈曲温度和临界温度计算公式的有效性做进一步的验证,对比结果表明提出的计算公式可以很好地预测钢柱的屈曲温度和临界温度。     

火灾下轴向约束钢柱性能的Shanley理论模拟

运用改进的Shanley理论对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱进行分析.在已有的Shanley模型上考虑轴向约束的影响,以铰链的两肢的应变作为基本未知量,考虑升温过程中引起的钢材的塑性变形和轴向温度膨胀,从而较为准确地得到钢柱的轴力-温度变化曲线,最后通过与初始轴力的对比得到钢柱的临界温度.计算结果表明该分析方法与有限元计算结果吻合较好.     

负弯矩作用下钢-混凝土组合箱梁畸变屈曲分析

畸变屈曲负弯矩区是钢-混凝土组合箱梁的最重要屈曲模式之一,而钢梁底板的转动及侧向约束刚度是影响其畸变屈曲的关键因素.文中对钢-混凝土组合箱梁负弯矩区钢梁底板的等效侧向及转动约束刚度进行了分析,结果表明钢梁底板侧向及转动约束刚度均与外荷载有耦合关系;基于钢梁底板侧向及转动约束刚度计算公式,利用弹性地基梁法推导了组合箱梁畸变屈曲临界应力计算公式,并进一步获得组合箱梁畸变屈曲临界弯矩;最后通过算例将该方法与ANSYS有限元法进行对比.算例分析表明:负弯矩作用下组合箱梁畸变屈曲临界荷载受构件长度影响较小;负弯矩作用下,转动约束刚度折减系数取0.5时,该方法屈曲弯矩计算结果与ANSYS有限元计算结果吻合良好.该方法利用了更为科学的钢梁底板侧向及转动约束刚度,考虑了负弯矩区底板和腹板的耦合失稳,计算方法物理意义更为明确,同时该计算方法较为简便,为变轴力作用下组合箱梁畸变屈曲临界荷载计算方法提供了理论基础.     

时变约束混凝土梁的升降温全过程内力分析

利用有限元软件ABAQUS,对时变约束混凝土梁的升降温全过程内力变化进行了探讨.首先考察了梁端轴向和转动约束刚度的变化趋势;然后对单调升温以及先升温后降温情况下,时变约束混凝土梁的轴力和梁端弯矩变化过程进行了计算分析,并与定常约束混凝土梁的相应结果进行了对比.结果表明:高温下时变轴向约束梁的最大轴力比小于定常轴向约束梁,轴向约束刚度比初值越小二者相差越大;高温下时变轴向约束梁的最大梁端弯矩与定常轴向约束梁几乎相同;时变转动约束下梁的轴力比和梁端弯矩随升降温时间的变化曲线都与定常转动约束下的相应曲线一致.     

反复荷载作用下箱形压弯钢柱受力性能

分析16根箱形钢柱及85个数值计算构件的刚度退化特征、强度退化特征、荷载-位移变化曲线、破坏形态、应力分布规律,进而研究反复荷载作用下箱形压弯钢柱局部屈曲和整体失稳的相关作用机理。对试验数据及有限元计算结果进行统计分析,回归出反复荷载作用下箱形压弯钢柱稳定承载力的拟合公式。研究结果表明:当轴压比小于0.1或绕截面弱轴长细比小于40时,壁板局部屈曲对构件的受力性能起控制作用,腹板宽厚比对构件的延性、承载力退化、刚度退化均起主要作用;当轴压比大于0.2且绕截面弱轴长细比大于80时,构件整体失稳对其受力性能起控制作用,轴压比和长细比对构件受力性能的影响均非常显著。     

形截面压弯钢构件板组弹塑性相关屈曲分析

建立轴压力和水平荷载作用下焊接H形截面钢构件有限元分析模型以模拟板组弹塑性相关屈曲性能,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,进行一系列非特厚实截面钢构件弹塑性局部相关屈曲非线性有限元分析,获得一系列极限弯矩比与这些参数的相关曲线,表明极限弯矩比随轴压比和翼缘宽厚比增大而明显降低.得到精度较高的正则化极限弯矩比拟合公式,基于整体和局部等稳原则导出板组容许宽厚比相关曲线.在某些条件下,钢结构设计规范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参数范围.     

高温下约束混凝土子框架的框架梁内力研究

以约束钢筋混凝土子框架作为分析对象,针对不同梁截面尺寸和配筋率、梁跨度、侧向/竖向/转动约束刚度比等情况,利用自编程序开展了高温下约束子框架的框架梁内力研究.研究结果表明：1）高温下框架梁的轴力比和梁端弯矩均呈现出先逐渐增大而后逐渐减小的趋势,前者峰值可达0.35～0.4;2）随着侧向约束刚度比增加,轴力比明显增大,而升温中后期梁端弯矩则逐渐减小;3）梁截面宽度越小,轴力比的增长速率越快且更早达到其峰值;随着梁截面宽度增加,梁端弯矩明显增大.     

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.     

约束PEC柱(强轴)抗火性能试验研究

为了研究轴向约束对部分包裹型钢混凝土组合柱(PEC柱)抗火性能的影响,开展了轴向约束PEC柱的抗火性能试验研究和有限元分析.考虑轴压和绕强轴压弯两种受力形式,进行了两根ISO-834标准火灾作用下四面受火轴向约束PEC柱的抗火性能试验.测试了试件截面温度场分布、轴向及侧向变形和耐火极限,观察了试件的破坏过程.试验结果表明:施加柱端弯矩的约束PEC柱侧向变形速率大,其破坏形态与轴压约束柱明显不同,为绕强轴的弯曲破坏;相同荷载比下有柱端弯矩的约束PEC柱耐火极限比轴压约束柱略长,总体而言两者的耐火极限均较短.有限元分析结果与试验结果吻合较好,具有较高的精度,可用于进一步的参数分析.     

非理想边界拱的面内失稳模式与屈曲荷载

将拱结构中既非固结也非铰支的非理想边界考虑为沿不同方向的具有一定刚度的弹性约束,利用变形几何关系和能量变分原理推导了拱的非线性平衡方程.以圆弧拱为例建立了径向均布荷载下外荷载与结构内力、径向位移之间的关系,通过定义拱的深浅参数和临界约束刚度进行分析并得到了跳跃屈曲、分岔屈曲等的发生条件及存在区间.本文方法所得屈曲路径和屈曲荷载与有限元法所得结论吻合良好,且用数值法分析了不同约束刚度时的屈曲路径和临界荷载.结果表明,临界深浅参数和临界约束刚度对圆弧拱的屈曲模式及屈曲临界荷载影响显著.     

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.     

蜂窝梁弯扭屈曲分析及整体稳定性的计算方法

蜂窝梁是在工字钢或H型钢腹板上按一定的线形进行切割后变换位置重新焊接组合形成的新型钢梁,具有节省材料、便于铺设管道、平面内刚度增大、承载能力高等优点.由于蜂窝梁腹板开孔,与相同截面的实腹梁相比抗侧刚度被削弱,整体稳定性降低.文中以实腹梁临界弯矩计算公式为基础,考虑蜂窝梁的抗侧刚度、翘曲刚度和扭转刚度,给出蜂窝梁弯扭屈曲临界弯矩计算公式,采用ANSYS对纯弯状态下的蜂窝梁进行了弯扭屈曲分析,以蜂窝梁的孔高比和距高比为变量,给出了不同情况下蜂窝梁弯扭屈曲临界弯矩值,并与当量实腹梁临界弯矩公式计算结果进行对比,得出蜂窝梁临界弯矩与当量实腹梁临界弯矩之差随孔高比和距高比之间的变化关系,对蜂窝梁整体稳定性计算公式进行修正,最后提出了蜂窝梁整体稳定性的实用计算方法.     

冲击波和预制破片复合作用下H型钢柱损伤效应分析

为探究H型钢柱在近距爆炸冲击波和预制破片复合作用下的抗爆性能,基于非线性有限元软件ANSYS/LSDYNA,通过在圆柱形TNT炸药柱身外贴预制破片来模拟爆炸产生的冲击波和破片对钢柱的损伤破坏.分析了冲击波载荷、破片群载荷及复合载荷作用下H型钢柱动态响应的差异.同时,通过参数化分析方法,探究了在冲击波和预制破片复合作用下轴压比、钢材强度、长细比和截面类型等因素对H型钢柱损伤效应的影响规律.结果表明,近爆作用下,冲击波和预制破片的复合载荷作用具有叠加增强效应,复合载荷作用大于单一载荷作用效果的线性叠加.在钢柱抗爆设计中,应控制其所承受的轴向压力,钢材强度等级为Q235时,轴压比不宜大于0.4.应合理选择钢材强度等级,不要盲目选择高强钢材.通过改变柱高来改变长细比对钢柱破坏影响不大.圆管型截面钢柱的抗爆能力最好,H型截面次之,箱形截面最差.     

梯度温度下考虑剪切变形影响的弹性约束拱的力学行为

考虑了剪切变形的影响对梯度温度作用下弹性约束圆弧拱的力学行为展开研究,推导了梯度温度作用下工字形截面圆弧拱的有效中心位置,通过能量法推导了弹性约束拱在梯度温度作用下的平面内变形、轴力和弯矩显式表达式,数值讨论了具有不同圆心角和弹性约束的圆弧拱在梯度温度作用下的内力变化情况。结果表明,梯度温度对浅拱的影响较为显著。考虑剪切变形能够使拱的弯矩减小,同时拱的轴力随着弹性约束柔度增大而减小。     

钢-混凝土组合梁负弯矩区弹性畸变屈曲分析

基于畸变屈曲是钢-混凝土组合梁负弯矩区钢梁的重要屈曲模式,钢梁下翼缘提供给钢梁腹板的转动约束刚度及侧向约束刚度是影响其畸变屈曲性能的关键因素之一,对工字形钢-混凝土组合梁负弯矩区钢梁腹板提供给下翼缘的转动约束刚度及侧向约束刚度进行研究。采用利用能量法推导负弯矩区钢梁腹板对下翼缘的转动约束刚度及侧向约束刚度理论计算公式,并结合弹性介质中的中心受压薄壁杆件的屈曲理论推导钢梁侧向弯曲屈曲及侧向弯扭屈曲临界应力计算公式,进一步获得相应的屈曲弯矩。结合工程实例对转动约束刚度、侧向约束刚度及屈曲弯矩计算公式进行分析及讨论。研究结果表明:钢梁腹板转动约束刚度及侧向约束刚度均与外荷载呈线性关系,同时两者还可能出现负值;本文屈曲弯矩计算结果与ANSYS有限元计算结果较吻合;现有屈曲弯矩计算方法存在一定理论缺陷,且不同计算方法所得计算结果偏差较大;本文计算公式形式较简洁,适于工程应用。     

粘接材料及结构在双轴受压和温度耦合作用下变形的尺度效应和非局部效应分析

基于非局部理论, 分析了双层完好粘接板在双轴受压和温度场耦合作用下屈曲的尺度效应和非局部效应. 通过理论计算对经典弹性理论和非局部理论的计算结果进行了比较分析. 结果表明: 在非局部理论下, 由于系统内部结构之间的相互作用, 系统的屈曲临界力有所降低, 并且当屈曲波数越大时, 内部结构相互作用域进一步收缩, 使得有效弯曲刚度减小, 所以非局部参数对屈曲力的影响更为显著; 在外载荷和温度耦合作用下, 温度升高会导致屈曲临界力减小, 温度降低会导致屈曲临界力增大. 还对3 种不同温度场进行了讨论, 分析了在3 种温度场下温度变化对外载荷的影响, 以及与系统尺寸大小的关系.     

薄壁矩形钢管混凝土受压柱临界宽厚比

对薄壁矩形钢管混凝土柱在轴压作用下的局部屈曲性能进行了研究。使用能量法分析了钢板的局部屈曲系数。假设钢管壁在非加载边受到弹性约束,在内侧受到混凝土的径向压力,通过计算弹性约束系数,得到了矩形钢管混凝土柱轴压下的临界宽厚比。从公式中得知径向力降低了钢管的屈曲应力。钢管屈曲系数随着约束系数的增大而增大,且与钢管截面高宽比和邻边厚度比有关。