纯弯荷载作用下冷弯薄壁斜卷边Z形檩条的性能研究

论文摘要

冷弯薄壁斜卷边Z形檩条构件具有重量轻、用料省、可嵌套、便于运输和堆放的特点,目前,已经广泛的应用于工业建筑与住宅建筑中。与传统的C、Z形檩条相比,斜卷边Z形檩条由于在构件的连接处可以实现嵌套和搭接,大大增强了檩条的刚度,减小了挠度,因此,可以实现更大的跨度、承担更大的荷载。目前,在计算冷弯薄壁受弯构件的弹性临界应力时,通常采用有限条法。但是,有限条法计算过程复杂,对于斜卷边檩条的计算与简化公式也比较少见。而在设计过程中,各国规范普遍采用有效截面法,考虑了构件有效截面的折减和一定的屈曲后强度。我国现行轻钢规范GB50018-2002在设计过程中也采用了有效截面法,但却缺少对于斜卷边构件的相关条款,卷边弯折角度的影响在规范中并没有得到考虑。本文首先使用有限条法,利用MATLAB软件,实现了对斜卷边Z形檩条的截面优化,并计算得到了斜卷边Z形檩条的最合适卷边长度。根据Hancock模型,分别计算了工程范围内卷边弯折角度为45°、60°、75°和90°四种情况下各种截面尺寸构件的局部屈曲临界应力与畸变屈曲临界应力,并回归得到了工程范围内,局部屈曲与畸变屈曲临界应力的简化计算公式。同时,本文使用有限元法,通过Abaqus软件,建立了斜卷边Z形檩条的屈曲半波长度有限元模型,进行了特征值屈曲分析与非线性分析。研究了斜卷边Z形檩条的前20阶屈曲模态、不同初始缺陷间的相互作用与影响以及斜卷边Z形檩条的屈曲后强度与极限弯矩,给出了构件极限应力的计算方法及斜卷边Z形檩条的建议设计过程。通过算例分析,对有限元法计算结果、欧洲规范EN1993-1-3和中国轻钢规范GB50018-2002的计算结果进行了比较,结果显示,有限元值与欧洲规范值较为接近,有限元值约高于欧洲规范值3%,而平均高于中国规范值8%左右。最后,本文对斜卷边Z形檩条的嵌套搭接效应进行了分析和研究。通过与采用普通对接连接的檩条在受弯状态下的跨中最大弯矩及位移的比较,得出了采用嵌套搭接连接的斜卷边Z形檩条的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 冷弯薄壁构件的特点和应用
• 1.2 冷弯薄壁檩条的性能与应用
• 1.3 冷弯薄壁Z形檩条的屈曲模式
• 1.4 课题的研究现状
• 1.4.1 畸变屈曲临界应力的理论计算方法
• 1.4.2 冷弯薄壁型钢受弯构件的设计方法
• 1.5 课题的目的和意义
• 1.6 本文主要研究的内容
• 第2章 卷边檩条的有限条法及有限元法
• 2.1 有限条法的理论基础
• 2.1.1 有限条法的形函数及初始刚度矩阵
• 2.1.2 有限条法的几何刚度矩阵
• 2.1.3 刚度矩阵的组合与有限条法的解
• 2.1.4 有限条法的模型与转动约束刚度
• 2.2 有限元法及模型简介
• 2.2.1 特征值屈曲分析概述
• 2.2.2 非线性假设
• 2.2.3 非线性屈曲分析概述
• 2.3 本章小结
• 第3章 斜卷边Z形檩条的弹性屈曲分析
• 3.1 引言
• 3.2 卷边檩条的相关屈曲
• 3.2.1 板件的局部相关屈曲
• 3.2.2 直角卷边檩条的局部相关屈曲系数
• 3.3 斜卷边Z形檩条的合适卷边长度与弯折角度
• 3.3.1 卷边长度与弯折角度对局部屈曲临界应力的影响
• 3.3.2 卷边长度与弯折角度对畸变屈曲临界应力的影响
• 3.3.3 斜卷边Z形檩条的合适卷边长度与弯折角度
• 3.4 斜卷边Z形檩条的局部屈曲系数和局部屈曲应力
• 3.5 斜卷边Z形檩条的畸变屈曲应力及计算公式
• 3.5.1 卷边檩条的畸变屈曲
• 3.5.2 斜卷边Z形檩条的畸变屈曲临界应力与截面参数的关系
• 3.5.3 斜卷边Z形檩条的畸变屈曲临界应力计算公式
• 3.6 本章小结
• 第4章 斜卷边Z形檩条的屈曲模态与几何缺陷
• 4.1 引言
• 4.2 斜卷边Z形檩条的特征值屈曲分析及屈曲模态
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 有限元模型长度的计算与Abaqus中Python语言的实现
• 4.2.3 屈曲模态分析
• 4.3 不同模态初始缺陷对极限应力的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 斜卷边Z形檩条的极限承载力分析
• 5.1 引言
• 5.2 斜卷边Z形檩条极限应力的有限元分析
• 5.2.1 斜卷边Z形檩条的有限元建模
• 5.2.2 斜卷边Z形檩条的极限应力
• 5.3 有限元分析与规范值比较
• 5.4 斜卷边Z形檩条极限应力的计算方法
• 5.5 搭接效应对檩条承载力的影响
• 5.5.1 搭接效应的力学分析
• 5.5.2 搭接效应的有限元分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 附录A 直角卷边Z形檩条的欧洲规范设计算例
• 附录B 直角卷边Z形檩条的中国规范设计算例
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢