变截面H型钢柱稳定性能的理论与试验研究

论文摘要

随着变截面门式刚架结构在我国日益广泛的应用,它的稳定性研究也越显重要。变截面门式刚架结构所采用的变截面H型构件,薄而开展,相关屈曲作用影响因素众多,稳定性能表现复杂。目前国内外的相关研究多集中在单调静力荷载作用范围内,国内尚无对大宽厚比变截面构件抗震性能的研究成果以指导门式刚架结构的抗震设计。因此对变截面H型钢柱进行单调静力荷载和循环荷载作用下的稳定性能研究富有学术意义,并具有较深远的工程应用价值。基于稳定理论和双重非线性有限元方法,以ANSYS软件为工作平台,本文首先采用Shell181板壳单元建立了变截面H型钢柱的有限元分析模型,该模型可以方便考虑初始缺陷和残余应力的影响。本文对单调静力荷载作用下的变截面H型钢柱进行了全过程的参数分析。根据计算获得的荷载位移曲线、弹性承载力、极限承载力、构件变形、塑性发展等,对比分析了压力和压弯联合作用下,腹板宽厚比、翼缘宽厚比、楔率、长细比等构件几何参数对其稳定性能的影响。根据数值分析结果,从弹塑性分析和有效宽度简化方法出发,对变截面H型钢柱平面内稳定承载力公式进行了修正,并绘出轴力弯矩相关曲线,供工程设计有参考。从弹性承载力、极限承载力出发,对等截面与变截面H型钢构件进行了对比研究,并以等承载力为原则,统计总结了变截面压弯构件在不同情况下的腹板宽厚比代表值,分析结果表明采用靠近腹板大头的宽厚比作为压弯楔形H型钢柱腹板宽厚比代表值较为适当。本文首次完成了7个变截面H型钢柱低周循环荷载作用下的试验研究。从破坏现象、滞回曲线、局部屈曲、耗能、骨架曲线、位移延性系数、极限承载力等角度,对比分析了轴力、腹板宽厚比、翼缘宽厚比、楔率、初始缺陷等因素对其稳定性能的影响;通过对试验试件破坏机理的分析,获得了对此类构件的工程设计富有意义的结论和建议。最后,本文讨论了循环荷载作用下变截面H型钢柱稳定性能。在优化选择楔率的基础上,从滞回曲线、局部屈曲等角度,对比分析了不同腹板宽厚比构件的循环稳定性能;在综合考虑稳定承载力和延性要求基础上,提出腹板宽厚比限值要求。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外的研究概况
• 1.2.1 板的屈曲研究
• 1.2.2 构件的屈曲研究
• 1.2.3 结构的屈曲研究
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第2章 稳定理论和非线性有限元方法
• 2.1 稳定理论
• 2.1.1 相关屈曲的判别
• 2.1.2 相关屈曲的研究方法
• 2.2 非线性有限元
• 2.2.1 壳单元SHELL181
• 2.2.2 有限元模型
• 2.2.3 非线性基本理论
• 2.3 算例
• 2.3.1 构件列表
• 2.3.2 等截面H型钢柱的分析
• 2.3.3 变截面H型钢柱的分析
• 2.3.4 对比分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 单调荷载作用下楔形H型钢柱稳定性能研究
• 3.1 轴心受压楔形H型钢柱参数分析
• 3.1.1 楔形H型钢柱算例表
• 3.1.2 数值分析
• 3.1.3 变截面H型钢柱腹板宽厚比代表值
• 3.1.4 小结
• 3.2 压弯楔形H型钢柱稳定性能研究
• 3.2.1 构件几何参数表
• 3.2.2 参数分析
• 3.3 压弯楔形H型钢柱平面内稳定承载力相关曲线研究
• 3.3.1 典型构件C4、C5的塑性发展
• 3.3.2 稳定承载力相关曲线
• 3.3.3 小结
• 3.4 压弯楔形H型钢柱腹板宽厚比的选择
• 3.4.1 TC3-1系列构件
• 3.4.2 TC3-2系列构件
• 3.4.3 TC3-3系列构件
• 3.4.4 TC3-4系列构件
• 3.4.5 小结
• 3.5 本章小结
• 第4章 循环荷载下楔形H型钢柱稳定性能试验研究
• 4.1 试验概况
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试验装置
• 4.1.3 试件尺寸及测点布置
• 4.1.4 材性实验（见附录）
• 4.2 试验研究内容及加载制度
• 4.2.1 加载制度
• 4.2.2 实验研究内容
• 4.3 试验结果
• 4.3.1 滞回曲线和试验照片
• 4.3.2 局部屈曲
• 4.3.3 耗能情况
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 各种因素影响
• 4.4.2 破坏机理分析
• 4.5 试验理论对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 循环荷载下楔形H型钢柱滞回性能理论分析
• 5.1 腹板楔率的优化选择
• 5.1.1 固定轴压比的构件系列
• 5.1.2 固定轴力的构件系列
• 5.1.3 腹板楔率优化选择
• 5.2 腹板宽厚比定量分析
• 5.2.1 构件系列
• 5.2.2 计算结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究成果
• 6.2 有待深入研究的工作
• 参考文献
• 附录 A 规范关于局部稳定的计算
• 附录 B 试验测点布置
• 附录 C 材性试验
• 作者简历
• 学位论文数据集