摘要
冷弯薄壁型钢的力学性能均匀，材料利用率高而且节能环保，作为一种新型建筑材料，冷弯薄壁型钢在工业上得到了广泛的认可，并在生产和应用中得到了迅速的发展。目前的研究主要集中在非卷边或带一次卷边的型钢，对于复杂卷边型钢的研究却很少。由于G形钢相比于卷边型钢多一次卷边，其截面特性更加优越，构件的承载力以及钢材利用率也得以提高。因此，系统地针对这种截面构件的稳定性能进行研究具有十分重要的意义。 从目前的研究现状来看，针对冷弯薄壁G形钢的研究成果还比较匮乏，研究对象主要以非复杂卷边槽钢为主，因此G形钢截面特性的改变对受弯构件性能的影响还需要开展系统的研究。从设计方法来看，目前世界上多数国家的冷弯规范针对构件稳定承载力的计算方法都是基于有效宽度法提出的，但是这种方法不能考虑构件的畸变屈曲性能，有很大的局限性。此外，目前已逐步展开应用的直接强度法虽然能够完成构件的整体、局部和畸变屈曲承载力的计算，但其计算方法主要是依据非复杂卷边截面构件的研究得到的，是否适用于复杂卷边G形钢，还有待验证评价。因此，研究冷弯薄壁型钢复杂卷边G形受弯构件的稳定性能，建立有效的承载力计算方法，已成为冷弯薄壁钢结构系统性成果中亟待完善的内容之一。 本文首先对G形钢受弯构件的畸变屈曲性能和整体屈曲性能进行了试验研究和有限元参数分析，并针对直接强度法在此类构件中的应用进行研究。提出了适用于冷弯薄壁G形截面受弯构件承载力的计算方法。主要内容和结论如下： ①对冷弯薄壁G形钢受弯构件的畸变屈曲和整体屈曲的性能进行了试验研究。试验分为两类，其中畸变屈曲完成9组18根试验研究，整体屈曲完成8组16根试验研究。通过变化试件截面的几何参数分别考察受弯构件的畸变屈曲和整体屈曲性能，详细测试了试件受力全过程的应变和变形等数据，为后续的有限元数值模拟分析提供了试验基础和比较依据。所设计的试件在试验情况下均发生了纯弯段的畸变失稳破坏和整体失稳破坏，验证了本文的畸变和整体试验装置，试件设计和截面选择是科学合理的。 ②本文通过试验数据验证了所建立的有限元模型的准确性，采用有限元模型分析了不同截面参数对畸变屈曲和整体屈曲的影响。为了说明整体试验时构件的边界条件达到了固接，本文建立了两个整体屈曲有限元模型，分别为试验模型和理想模型，通过理想模型和试验模型分析结果的对比，发现试验时的边界条件基本接近固接，可以认为本文研究的是固定条件下的G形截面梁的整体稳定性能。 ③对冷弯薄壁G形钢受弯构件的畸变屈曲和整体屈曲的性能进行了有限元模拟参数分析。考察了不同腹板高度、翼缘宽度、卷边宽度和截面厚度等因素对冷弯薄壁G形钢受弯构件的畸变屈曲和整体屈曲性能以及极限承载力的影响规律。结果表明，影响因素之间存在着相关作用，各因素对构件的屈曲模式和极限承载力均有重要影响。一定范围内，截面的增大会提高构件的极限承载力，但翼缘尺寸的增加会降低畸变屈曲承载效率，提高整体屈曲承载效率，截面增厚会提高截面承载力和承载效率。而且板件厚度和卷边尺寸是影响构件屈曲模式的重要因素。 ④本文将G形截面梁的畸变屈曲的试验和有限元分析结果与目前的北美规范S136-16的直接强度法曲线进行了对比，发现北美规范S136-16直接强度法中的畸变屈曲承载力公式偏于保守，因此本章在此公式的基础上，通过回归分析，拟合出了一条修正的直接强度法曲线，并使用修正后的直接强度法曲线计算了畸变屈曲有限元参数分析的试件，发现其与有限元参数分析的结果相差很小。 ⑤本文将G形截面梁的整体屈曲的试验和有限元分析结果与现有的中国规范GB50018-2002，欧洲规范EN1993-1-3-2006和北美规范S136-16中的整体屈曲曲线进行了对比，发现现有的中国规范，北美规范偏于不安全，而欧洲规范在非弹性范围内则过于保守。本文根据试验数据和有限元数据，根据弹性临界弯矩计算方式的不同，分别拟合出了一条修正的直接强度法曲线。并使用修正后的直接强度法曲线计算了整体屈曲有限元参数分析的试件，发现其与有限元参数分析的结果基本吻合。
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