冷弯薄壁斜卷边槽钢弹性畸变屈曲计算研究

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对于高强度的开口冷弯薄壁型钢而言,畸变屈曲是一种重要的屈曲模式。在一定条件下,畸变屈曲可能成为居主导地位的屈曲模式,并对构件的极限承载力起到决定性的作用。近年来,随着钢材的强度逐步提高,冷弯薄壁型钢的板厚向超薄方向发展,构件的截面形式日趋复杂化,畸变屈曲正越来越受到人们的重视。国内外对于钢结构的整体屈曲与局部屈曲的研究比较成熟。与整体屈曲、局部屈曲相比,畸变屈曲被世人认识的时间相对较短,各国学者对畸变屈曲的研究也有待深入。我国现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002,简称GB50018)还没有针对畸变屈曲的相应的计算规定。目前针对畸变屈曲的成熟计算方法尚不多见,直接强度法(Direct Strength Method,简称DSM)是一种新的设计方法,DSM的一个特点是可用于畸变屈曲计算,目前已被北美和澳洲地区所采纳。该设计方法首先需要求出构件的弹性畸变屈曲值,然后将其值代入DSM中的设计公式进行设计计算,从而得出畸变屈曲设计值。作为一种发展中的计算方法,DSM值得进一步研究。弹性畸变屈曲的计算是DSM的关键,亦是本文研究的重要内容。DSM可采用相关计算程序,如CUFSM有限条等软件计算弹性畸变屈曲。有关学者也提出了近似模型计算法计算弹性畸变屈曲,并被有关国外规范采纳。近似模型计算法的不方便之处是计算较复杂,往往需迭代计算。广义梁理论(Generalized Beam Theory,简称GBT)已被提出二十余年,理论上GBT可用于求解弹性畸变屈曲问题,但计算上的复杂性阻碍了“广义梁理论”在弹性畸变屈曲计算方面的应用。冷弯薄壁卷边槽钢在实际工程中应用广泛,本文基于GBT和相关资料,对斜卷边冷弯薄壁槽钢弹性畸变屈曲进行重点研究。主要研究内容如下:(1)针对斜卷边冷弯薄壁槽钢轴压柱,推导出弹性畸变屈曲计算公式。除不考虑翼缘弯曲变形的刚体位移计算模型外,本文提出了两种考虑翼缘弯曲变形的新计算模型:横向弯曲铰支计算模型、横向弯曲固支计算模型。翼缘和卷边的交点在计算中被视为铰支座或者固定支座是横向弯曲铰支计算模型和横向弯曲固支计算模型的区别所在。在横向弯曲铰支计算模型计算中,翼缘和卷边的交点被视为铰支座;在横向弯曲固支计算模型计算中,翼缘和卷边的交点被视为固定支座。并分别推导了三种计算模型下的弹性畸变屈曲计算公式。与现有资料、其他方法进行计算对比,结果表明本文三种计算模型下的公式均具有较高的工程精度。从安全角度考虑,建议弹性畸变屈曲计算值采用横向弯曲铰支计算模型公式值、刚体位移计算模型公式值二者间的小值。(2)针对斜卷边冷弯薄壁槽钢绕弱轴纯弯梁,推导出弹性畸变屈曲计算公式。类似于轴压柱,除刚体位移计算模型以外,本文提出了绕弱轴纯弯梁弹性畸变屈曲的两种新计算模型:横向弯曲铰支计算模型和横向弯曲固支计算模型。并分别推导了三种计算模型的弹性畸变屈曲计算公式。计算对比表明,刚体位移模型公式计算值偏大,横向弯曲铰支模型和横向弯曲固支模型公式计算值比较准确,建议采用横向弯曲铰支计算模型公式计算值。(3)针对绕弱轴冷弯薄壁斜卷边槽钢压弯构件,推导出弹性畸变屈曲压弯构件计算公式。该计算公式中的弹性畸变屈曲轴压临界应力和纯弯临界应力可由前述相关公式计算得到。计算分析表明,弹性畸变屈曲压弯构件计算公式具有良好的计算精度。为与国情相符合,本文特意选取GB50018所附录的冷弯薄壁卷边槽钢进行计算,研究结果表明本文的弹性畸变屈曲轴压、纯弯、压弯计算公式均能很好地适用于上述槽钢。本文公式无需迭代计算,适于手算或简单编程计算。摆脱了对弹性畸变屈曲专用软件的依赖,促进DSM实用化进程。本文的计算思路可为后续研究提供借鉴,也可供工程设计人员和冷弯薄壁型钢设计规范修订作参考。总之,本文针对冷弯薄壁斜卷边槽钢建立了多种计算模型,推导了相对简便实用的计算公式。多种计算方法的对比,论证了本文计算公式的准确性。
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