悬臂楔形蜂窝工字钢构件静力和滞回性能研究

摘要

随着国民经济的快速增长，轻型钢结构在我国获得了很大的发展，轻型钢结构已广泛应用于各类建筑中，其中门式刚架结构更是一种常用的结构形式。在门式刚架中楔形构件截面变化形式接近于荷载作用下的弯矩图，节约材料，可以提高构件的抗弯强度和刚度，具有很大优越性。因为H型钢具有良好的受力特性，在我国已获得广泛的应用，除用其制作成等截面门式刚架的梁柱外，也常采用二次直线切割，再组焊成实腹楔形截面，用作变截面门式刚架的梁柱构件。 本文提出通过对H型钢进行特殊地二次切割，适当地改变切割途径和组合方式，组合成楔形蜂窝构件。楔形蜂窝构件具有楔形构件和蜂窝梁所具有的共同优点，具有加工简单，受力合理，构件抗弯强度和刚度有很大提高，孔洞还可以用来穿过管线等优点。由于目前在国内外尚没见到有关此类构件静、动力工作性能的研究工作报道，因此开展对楔形蜂窝构件在静力荷载作用下的稳定性和承载力以及循环往复荷载作用下的滞回性能研究，具有很重要的理论和实用意义。 本文利用ANSYS有限元程序对不同孔洞大小、不同间距、不同长细比和不同楔率的悬臂楔形蜂窝构件进行研究，研究构件在静力轴压、弯曲和压弯荷载作用下的性能。在分析中考虑了材料非线性，几何非线性，残余应力和初始弯曲的影响。根据有限元分析，拟合出悬臂楔形构件计算长度系数公式。分析表明当其它参数相同时，构件的承载力随孔的增大而减小。当中部截面、开孔大小和间距相同时，名义长细比较小时，楔形蜂窝轴压构件的承载力随楔率增大而减小；当名义长细比较大时，构件的承载力随楔率增大而增大。 构件中部截面的开孔率，可以反映孔对构件的整体影响，但当楔形蜂窝构件开大小相等的六边形孔时，构件小头的净截面面积削弱甚多，因此应对构件小头的开孔率适当限制。本文建议当名义长细比较大时，构件由开孔引起的承载力下降较小可以适当放大开孔率到0.4左右，名义长细比较小时，开孔率控制在0.3以内。一般楔率大时，六边形边长应该控制在小头高的0.3。当楔率α≤2％时，可控制在小头高0.2-0.3。楔率小时，开孔率对其经济性影响最为明显，建议取大开孔率。 悬臂楔形蜂窝构件的抗弯承载力随着楔率增大而增大，同时，随着孔洞的增大而减小，但孔洞大小和间距对抗弯承载力影响很小。抗弯承载力主要取决于构件大头的截面积。楔形蜂窝受弯构件横截面的应力应变分布由于孔洞存在使某些部位存在严重的应力集中，其受力机理不再符合传统的弯曲理论。根据塑性区域的应力应变分析，当楔率较小时，楔形蜂窝受弯构件可以近似采用塑性铰模型。 悬臂楔形蜂窝压弯构件在孔洞大小相等，楔率相等的条件下，随着名义长细比的增加，构件的N/Ny逐渐减小。可以利用M-N相关方程，对楔形蜂窝压弯构件进行设计分析。当轴压比较小时，楔形蜂窝压弯构件可以近似的采用塑性铰模型。当轴压比较大时，利用塑性铰模型分析是不合适的。 对楔形蜂窝压弯构件平面内循环荷载作用下的性能进行了计算和分析，获得了在平面的滞回性能和骨架曲线。构件轴压比变化对楔形蜂窝压弯构件性能的影响主要表现为构件的极限承载力随着轴压比的增大迅速降低；当轴压荷载一定时，在循环荷载的作用下，悬臂楔形蜂窝构件的骨架曲线与构件大头的高度关系较大，根部的孔过大时也会使构件循环荷载作用下的承载力下降速度加快。 提出了等孔与变孔楔形蜂窝试验构件的切割与加工方法，进行了构件的试验研究。通过对不同楔率和开孔率的楔形蜂窝构件试验，发现静力下的楔形蜂窝压弯构件有限元的计算结果与试验结果比较接近。悬臂楔形蜂窝构件的极限承载力和刚度主要取决于构件大头的高度，但根部的孔过大时也会使构件承载力降低。在循环荷载的作用下，有限元方法的计算结果的骨架曲线与试验结果基本吻合。 通过对楔形蜂窝构件进行连续化处理，建立了楔形蜂窝压弯构件的微分方程，从而得到楔形蜂窝构件的刚度方程。进一步考虑了次弯矩、初始缺陷等因素的影响，与有限元结果进行比较，得到令人满意的计算结果。将来可以进一步简化处理，以适合实际工程应用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：物理量名称及符号表

第1章绪论

1.1国内外楔形构件和蜂窝梁的研究和发展状况

1.1.1 H型钢的特点和发展

1.1.2轻型门式刚架研究与发展

1.1.3楔形构件的研究状况

1.1.4蜂窝梁的应用研究

1.2循环塑性分析的弹塑性模型的研究进展

1.3课题来源及研究的目的和意义

1.4本课题研究的主要内容

第2章悬臂楔形蜂窝构件的静力性能分析

2.1引言

2.2有限元非线性方程组的求解方法

2.3 Mises屈服准则

2.4单元的选取

2.5悬臂楔形轴心受压构件的计算长度系数μ

2.6悬臂楔形蜂窝轴心受压构件稳定分析

2.6.1残余应力的选取和构件设计

2.6.2悬臂楔形蜂窝轴压构件承载力分析

2.6.3材料强度的影响

2.6.4构件开孔率的限制

2.6.5楔形蜂窝构件的稳定设计

2.7悬臂楔形蜂窝受弯构件静力性能分析

2.7.1承载力和刚度

2.7.2悬臂楔形蜂窝受弯构件刚度分析

2.7.3塑性区应力应变分析

2.8悬臂楔形蜂窝压弯构件平面内稳定承载力

2.8.1压弯构件相关方程

2.8.2悬臂楔形蜂窝压弯构件分析

2.8.3塑性区域

2.9本章小结

第3章循环荷载作用下构件滞回性能分析

3.1前言

3.2循环荷载作用下的钢材本构模型

3.3循环荷载作用下悬臂楔形蜂窝压弯构件滞回性能

3.3.1楔形蜂窝构件的几何尺寸

3.3.2压弯构件滞回性能

3.4本章小结

第4章构件的静力与循环荷载试验研究

4.1引言

4.2试验方案

4.3试验设计

4.3.1试件设计

4.3.2试件连接和加载方案

4.3.3测点布置和测试设备

4.3.4材性实验

4.4实验结果分析

4.4.1静力荷载作用

4.4.2循环荷载作用

4.5本章小结

第5章悬臂楔形蜂窝压弯构件静力简化计算分析

5.1引言

5.2悬臂楔形蜂窝构件弹性分析

5.2.1平衡微分方程建立

5.2.2刚度方程的建立

5.3考虑次弯矩影响时的分析

5.3.1次弯矩的概念

5.3.2次弯矩产生的挠度

5.4悬臂楔形蜂窝构件的弹塑性分析

5.4.1塑性铰模型

5.4.2荷载位移曲线分析

5.4.3切线模量和初始缺陷的影响分析

5.5解析方法与有限元结果对比

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历