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残余应力对蜂窝梁稳定性能的影响研究

【摘要】:蜂窝梁一般是由普通工字钢梁或H型钢梁沿预定折线切割、错位焊接而成的一种新型梁。与普通工字钢梁相比,蜂窝梁具有自重轻、承载力高、平面刚度大、节省材料等特点。在蜂窝梁的制作过程中,切割、焊接区域因温度急剧升高而产生塑性压缩,冷却过程中因受周边区域约束而产生内部自相平衡的残余应力场,因此蜂窝梁截面的残余应力分布有别于普通工字钢梁和H型钢梁。同时,由于蜂窝梁腹板高度相对原型梁有很大提高,其腹板更容易发生局部屈曲破坏。腹板孔洞的存在改变了梁截面剪力的传播路径,使得蜂窝梁的局部破坏模式有别于实腹梁。相关学者提出的蜂窝梁残余应力分布模式存在一定的局限性,而翼缘残余应力的分布对蜂窝梁的整体稳定性能有较大影响,腹板残余应力的分布对梁墩局部屈曲性能的影响也不可忽略。目前,针对这些问题的研究还不够深入。本文在已有研究的基础上,采用试验、数值分析和理论研究相结合的方法,针对残余应力对蜂窝梁稳定性能的影响进行了较为系统的研究,主要工作如下:(1)本文采用通用有限元软件ANSYS,根据对称相似原则建立了与试验中试件相同的六边形孔蜂窝梁局部三维有限元模型。采用生死单元技术模拟切割和焊接过程,得到各板件残余应力的分布,通过与试验结果对比验证了分析模型的可靠性。采用该模型对翼缘厚度、翼缘宽度和腹板厚度等主要影响因素进行参数化分析,基于已有的普通热轧工字钢梁残余应力分布,提出了蜂窝梁截面的残余应力分布模式。(2)基于已有试验研究成果,对影响蜂窝梁整体稳定性的主要因素进行分析。采用蒙特卡洛法分析了纯弯蜂窝简支梁弯扭屈曲临界荷载的概率分布和影响因子的敏感度。将有代表性的试验结果与欧洲规范EN 1993-1-1中蜂窝梁整体稳定承载力公式的计算结果进行对比,采用中国规范《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2001)提供的抗力分项系数,计算了不同荷载组合下蜂窝梁受弯构件整体稳定承载力的可靠度指标。基于验证后的有限元模型,研究了不同初始几何缺陷和残余应力分布组合对蜂窝梁整体稳定性能的影响规律。根据参数化分析结果,对相关规范进行对比分析,提出了考虑残余应力影响的蜂窝梁整体失稳临界承载力的计算方法。(3)介绍了蜂窝梁局部破坏类型和主要理论计算方法,分析了蜂窝梁梁墩局部屈曲的判定依据。在考虑材料非线性、几何非线性和残余应力影响的基础上,对有限元分析模型进行验证,分析了各主要因素对蜂窝梁局部屈曲临界承载力的影响规律。基于有限元的分析结果,经拟合得到考虑各参数耦合效应的剪切稳定系数k的理论计算公式,进而提出考虑残余应力影响的蜂窝梁局部屈曲计算方法。(4)鉴于当前国内外对蜂窝梁畸变屈曲性能的试验研究较少,本文对蜂窝梁的畸变屈曲性能进行了试验研究。对国内常用的两种截面类型的工字钢(HN200×100和HN250×125)进行切割、焊接得到蜂窝梁试件,试件两端铰支、跨中单点加载。为同时研究梁的侧倾畸变屈曲和约束畸变屈曲性能,对试件端部和跨中的上翼缘施加侧向约束。通过试验得到蜂窝梁的屈曲临界荷载、跨中和四分之一跨度梁墩截面的荷载-位移曲线和梁墩中轴纵向焊缝处荷载-应变曲线,并根据荷载-位移曲线绘制了荷载作用下梁墩截面的屈曲变形图。分析结果表明,试件的破坏模式均为畸变屈曲。(5)以前文得到的蜂窝梁残余应力分布为基础编制初应力文件,采用通用有限元软件ANSYS,充分考虑了材料非线性、几何非线性和残余应力分布等因素,建立了蜂窝梁三维分析模型。基于验证后的模型进行参数化分析,分析了各因素对蜂窝梁畸变屈曲性能的影响规律。参考普通工字钢梁的畸变屈曲理论,采用有效扭转刚度和有效翘曲刚度考虑腹板局部屈曲的影响,得到蜂窝梁畸变屈曲临界荷载的计算方法。将本文理论方法计算结果、AS4100规范计算值和AISC规范计算值与相关的试验结果进行对比,来验证本文理论计算方法的可靠性,为蜂窝梁畸变屈曲的设计提供参考。

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