薄壁不锈钢压弯构件的耦合失稳性能及设计方法研究

薄壁不锈钢结构构件应用日趋广泛，然而针对其各类失稳性能的研究尚不完善。薄壁构件的设计理论近年来也取得了新进展。本课题工作重点为薄壁不锈钢压弯构件的耦合稳定承载力及基于新设计理论的设计方法研究，作为相关的基础性研究工作还涵盖了不锈钢受弯构件纯畸变失稳破坏及设计方法、空翼缘构件整体-畸变耦合失稳性能研究。 开展了卷边C型不锈钢截面仅受畸变失稳控制时的破坏性能研究，进行了冷轧板材材性测试、几何缺陷高精度测量、侧向限位弯曲试验。基于ABAQUS开发了精细化数值模型、以试验数据进行校准并展开参数分析。结合试验及模拟数据总结畸变失稳承载力随材性、截面形式、截面柔度的变化规律，探讨了以受压翼缘与腹板交界处的应变监测判断畸变失稳点的实用方法。以直接强度法拟合得到了适用于C型和Z型不锈钢构件畸变失稳承载力的设计公式。相关成果已发表国际会议论文一篇，另有两篇期刊文章已完稿。以上述精细化模型为基础进行拓展参数分析，研究不锈钢空翼缘截面畸变-整体耦合失稳性能，探讨该类构件耦合失稳的设计方法，相关成果已发表国际会议论文一篇。 不锈钢压弯构件耦合失稳研究包括系列精细化试验、数值建模及参数分析、设计理论及方法研究。试验选取卷边C形、I型及矩形截面构件，分别反映局部-整体、畸变-整体耦合失稳效应。试验中引入钢材材性、截面柔度、构件柔度、等效加载偏心等变化因素。受国内市场供应情况限制，前期规划的低镍双相体S32101不锈钢小批量采购始终未能实现，只得采用双向体S32205板材替代。试验所用的专用加载、缺陷测量装置均有较高精度要求、需专门加工。上述工作过程中若干非预期因素造成试验研究进度滞后于计划，当前有一部分构件试验仍在进行中。数值建模和设计理论研究也同步进行，已梳理压弯构件设计理论框架及两种具体设计思路。相关成果目前已申请发明专利一件，一篇期刊文章撰稿中，后续研究成果还将有2~3篇论文发表。 2100433B

不锈钢结构应用的日趋广泛驱动着相关研究和设计规范的发展完善，然而有关此类构件特殊失稳行为的研究多针对轴压、单轴弯曲等简单加载条件，对于实际结构中普遍存在的压弯构件，其实际承载力性能的实验及分析较为有限。另一方面，近年来薄壁结构设计理论取得了新进展，可在简化设计过程的同时实现与传统方法相近乃至更优的精度，而将这一理论进展真正纳入设计规范尚需一定针对性的研究工作。在此理论和实践背景下，本课题重点研究薄壁不锈钢压弯构件的耦合稳定承载力及基于最新设计理论的设计方法：（1）展开系列的不锈钢压弯构件实验，反映截面-整体耦合失稳性能并体现材料特性、截面柔度、加载偏心等关键因素的影响；（2）建立、校准精细化有限元模型，并进行参数分析以在更大关键参数变化范围内考察构件行为；（3）综合本课题基础研究数据并整合文献中既有成果形成具有代表性的承载力数据库；（4）探究适应薄壁构件截面特征的准确可靠压弯构件设计公式。

压弯木构件是木结构中最重要的受力构件之一。木材的多孔结构与天然缺陷决定了压弯木构件必然是带裂纹工作的。外力作用下，裂纹扩展引起的刚度退化、承载力下降是压弯木构件破坏的主要因素。故压弯木构件极限分析不再是弹塑性极限问题，而是断裂极限问题。本项目以复合材料力学、线弹性断裂理论为基础，通过材料与构件断裂破坏试验及理论分析，针对建立压弯木构件断裂极限分析模型的主要科学问题展开深入研究，内容包括：（1）木材混合型裂纹断裂参数求解方法；（2）多轴应力状态下木材断裂破坏准则；（3）压弯木构件的断裂极限分析模型。通过本项目研究，揭示压弯木构件断裂破坏机理，建立含有断裂参数的木材断裂破坏准则和压弯木构件断裂失效准则；建立压弯木构件断裂极限工程实用分析模型，为压弯木构件断裂极限分析与设计提供理论依据。

压弯木/竹构件是木结构中最重要的受力构件之一。木/竹材的多孔结构与天然缺陷决定了压弯木/竹构件必然是带裂纹工作的。外力作用下，裂纹扩展引起的刚度退化、承载力下降是压弯木/竹构件破坏的主要因素。故针对压弯木/竹构件断裂破坏机理，发展相应的断裂参数求解方法，建立压弯木/竹构件承载力与变形分析的断裂极限模型，是木/竹结构极限状态设计理论亟待解决的关键科学问题。本项目针对以下内容开展了系统研究：（1）工程木（竹）材料的断裂参数；（2）裂纹尖端分析方法；（3）压弯构件的断裂极限分析模型。通过试验研究和理论分析，取得了以下主要成果：（1）建立了基于内聚力模型的双悬臂梁（DCB）I型断裂分析方法，给出了I型断裂试验双悬臂梁的柔度方程和断裂能计算的解析表达式，导出了裂纹张开位移解析解。通过试验验证了模型正确性；建立了基于标准DCB试验、ENF试验的木（竹）材料极限断裂能计算方法；（2）采用变分法建立了楔形劈裂试件的裂纹尖端近场近似解，给出了计算楔形劈裂试件断裂韧度近似公式，该公式与ASTM E399给出的经验公式计算结果吻合良好。（3）建立了考虑剪切型断裂（II型断裂）损伤的CLT柱极限承载力计算模型，给出了CLT柱层间剪力的分布规律和考虑II剪切破坏的CLT柱极限承载力计算公式。（4）建立了实心截面柱、空心截面柱在单向和双向偏心受压状态下的极限承载力计算方法。试验证明，本项目提出的计算方法具有较高的精度。本项目的研究成果，可为压弯木构件断裂极限分析与设计提供理论依据。 2100433B