冷弯薄壁腹板开孔C形钢梁稳定承载性能研究

论文摘要

近年来，冷弯薄壁型钢结构住宅以其轻质高强、抗震性能好、易于产业化等优点，在我国得到迅速发展和广泛使用。腹板开孔C形截面梁作为冷弯薄壁型钢结构中的新型构件，在工程中广泛使用，但其承载性能等相关研究成果较少，而我国规范《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018—2002）中亦没有关于开孔构件的设计方法和规定。本文用有限元法对工程中常用的冷弯薄壁腹板开孔C形梁的稳定承载性能进行了系统的研究。在试验研究的基础上，建立可以考虑几何和材料双重非线性的开孔梁有限元计算模型，探讨了单元尺寸、截面弯角等对模型计算精度的影响，确定了合理的有限元模型。分析了几何初始缺陷、冷弯残余应力及两者综合作用对开孔梁极限承载力的影响；研究了开孔梁的冷弯效应，并对中美规范关于冷弯效应的处理方法进行了比较。根据开孔梁试验和有限元计算结果，证明开孔梁的传力机制类似于桁架体系，由此确定了开孔梁合理的孔洞布置方式，即对称开孔且使用时边孔为正三角孔。根据孔洞合理布置时开孔梁的三种破坏形式，确定了开孔梁优化目标，即孔边距足够时使开孔梁破坏形式为跨中截面受弯破坏，此时结构效率最优。经大量的计算与分析，明确了孔数、孔洞大小、孔间距等开孔参数与最小孔边距限值的关系，并以开孔参数为自变量提出最小孔边距公式。为了在满足设计要求的前提下获得最节省的结构，研究了以孔洞高度为代表的孔洞尺寸对开孔梁极限承载力的影响，确定了开孔梁最大孔洞高度限值。最后，给出了明确的开孔优化方案。最后对可能提高开孔梁承载力的构造措施进行了研究，分别分析了腹板加强肋和腹板开孔处卷边加强对开孔梁稳定承载性能的影响，并结合部分加劲板件的研究成果，提出腹板加强肋和开孔处卷边加强的合理设计建议。其中腹板加强肋的设计建议包括加强肋形式、加强肋尺寸和布置间距等方面；建议腹板开孔处设置简单卷边，并根据计算结果确定了合理的卷边尺寸。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 冷弯薄壁型钢结构住宅体系
• 1.1.2 研究背景
• 1.2 冷弯薄壁型钢开孔构件的性能和应用
• 1.2.1 冷弯薄壁型钢构件
• 1.2.2 开孔构件的应用及结构性能
• 1.3 开孔构件的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 现行的腹板开孔梁分析与设计方法
• 1.4.1 实腹钢梁强度法
• 1.4.2 费氏空腹桁架法
• 1.4.3 有限元法
• 1.5 研究方法及研究内容
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究方法
• 第2章 腹板开孔的 C 形截面梁有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 腹板开孔的 C 形梁承载力试验
• 2.2.1 试验模型
• 2.2.2 试验结果
• 2.3 腹板开孔的 C 形梁有限元模拟
• 2.3.1 有限元计算模型
• 2.3.2 基于 ANSYS 的稳定问题分析
• 2.3.3 有限元模型的有效性验证
• 2.4 模型单元尺寸影响分析
• 2.5 截面弯角影响分析
• 2.6 小结
• 第3章 初始缺陷及冷弯效应对开孔梁稳定承载力的影响
• 3.1 引言
• 3.2 几何初始缺陷的影响
• 3.2.1 几何初始缺陷
• 3.2.2 局部初始缺陷的影响
• 3.3 冷弯残余应力的影响
• 3.3.1 冷弯残余应力
• 3.3.2 残余应力有限元模拟分析
• 3.3.3 残余应力的影响
• 3.4 局部初始缺陷与残余应力的综合影响
• 3.5 冷弯效应的影响
• 3.5.1 冷弯型钢钢材力学性能
• 3.5.2 冷弯效应计算方法
• 3.5.3 冷弯效应对开孔梁极限承载力的影响
• 3.6 小结
• 第4章 腹板开孔 C 形梁开孔方式优化
• 4.1 引言
• 4.2 开孔梁孔洞布置方式
• 4.2.1 开孔梁传力机制
• 4.2.2 孔洞合理布置方式
• 4.3 最小孔边距限值
• 4.3.1 开孔梁破坏形式
• 4.3.2 最小孔边距公式
• 4.4 最大孔洞高度限值
• 4.5 开孔方式优化方案
• 4.6 小结
• 第5章 构造措施对腹板开孔 C 形梁稳定承载力的影响
• 5.1 引言
• 5.2 加强肋对腹板开孔 C 形梁的加强效应
• 5.2.1 开孔梁的加强肋形式
• 5.2.2 加强肋对稳定承载力的影响
• 5.2.3 加强肋的合理设计
• 5.3 开孔处卷边对稳定承载力的影响
• 5.3.1 卷边处理方式
• 5.3.2 卷边对稳定承载力的影响
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要研究工作和结论
• 6.2 有待深入的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果