循环荷载作用下变截面H型钢构件的非线性相关屈曲研究

变截面H型钢构件是轻型门式刚架结构中广泛采用的构件形式，研究其在循环荷载作用下的相关屈曲性能对推动轻型钢结构在我国的大力发展、完善我国抗震设计理论和抗震设计方法具有重要论意义。本项目将完成变截面H型钢构件的拟静力实验；建立循环荷载下变截面H型钢构件的分析模型；确定变截面H型钢构件在循环荷载作用下局部屈曲和整体屈曲的相互影响规律以及破坏机理；明确变截面H型钢构件相关屈曲性能的影响参数；归纳循环荷载作用下变截面H型钢构件相关屈曲性能的简化表达方法；建立可用于门式刚架结构抗震分析的变截面H型钢构件的计算模型；提出具体的抗震建议。

薄壁截面特性使冷成型钢结构的失稳力学行为更加复杂，开口截面冷弯薄壁型钢构件更容易发生局部、整体和畸变屈曲。局部和畸变都具有屈曲后强度，在一定条件下会与其他屈曲模式相关，且相关屈曲的极限承载力较低。国内外学者对于畸变屈曲方面的研究还没有形成统一的认识，特别是畸变与整体相关屈曲的研究未系统开展。本项目对冷弯薄壁型钢受压构件畸变与整体相关屈曲性能进行研究，对其失稳力学机理、破坏模式、极限承载力进行研究。建立了畸变与整体相关屈曲模式的理论分析模型；提出了识别畸变屈曲、整体屈曲、畸变与整体相关屈曲的判定准则，给出了相应的临界条件；提出了畸变与整体相关屈曲的设计理论和简化计算方法。 （1）通过有限元精细化分析模型对冷弯薄壁C型钢轴压构件进行了相关屈曲模式及其发生的力学机理、变形特征；研究了截面几何参数对畸变与整体相关屈曲行为的影响；提出了畸变与整体相关屈曲的理论分析模型。 （2）对不同截面尺寸的68个冷弯薄壁型钢构件（包括腹板开洞情况）进行极限承载力试验研究。研究了构件畸变屈曲后与整体屈曲相互作用的承载力性能；研究了构件畸变与整体相关屈曲的变形模式、截面几何参数对畸变与整体相关屈曲行为的影响，畸变屈曲后与整体屈曲相互作用的极限承载力。 （3）研究畸变与整体相关屈曲构件的设计理论与设计方法。对当前国际上流行的直接强度法（DSM）畸变与整体相关屈曲计算公式，通过收集实验数据库进行了研究，提出了相应的设计理论和计算方法，并给出了判定准则。 2100433B

薄壁截面特性使冷成型钢结构的失稳力学行为更加复杂，开口截面冷弯薄壁型钢构件更容易发生局部、整体和畸变屈曲。局部和畸变都具有屈曲后强度，在一定条件下会与其他屈曲模式相关，且相关屈曲的极限承载力较低。由于畸变屈曲行为的复杂性，国内外学者对于畸变屈曲方面的研究还没有形成统一的认识。目前的研究主要集中于畸变屈曲，而对畸变相关屈曲的研究仍不深入系统，特别是畸变与整体相关屈曲的研究还未系统开展。本项目将对冷弯薄壁型钢受压构件畸变与整体相关屈曲进行系统深入的研究。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，对其失稳力学机理、破坏模式、极限承载力进行研究。建立畸变与整体弯曲、扭转、弯扭相关屈曲模式的理论分析模型，明确其力学机理和变形特征；提出能识别畸变屈曲、整体屈曲、畸变与整体相关屈曲的判定准则，给出相应的临界条件；提出畸变与整体相关屈曲的设计理论和简化计算方法。

本项目针对开口超薄壁型钢构件弹塑性畸变屈曲机理及其设计理论中若干关键问题进行研究，主要包括开口超薄壁型钢构件弹塑性畸变屈曲机理及其分析理论、协调变形模式下考虑畸变屈曲和局部屈曲相关作用的一体化分析理论、畸变屈曲与局部屈曲相关作用分析理论、以及开口超薄壁型钢构件畸变屈曲临界条件和有效控制措施。目前，项目已完成全部预订研究计划，部分工作开展了更为深入的研究。 首先，本项目完成了冷弯薄壁型钢构件轴压（S350试件绕弱轴失稳19个，绕强轴失稳4个；LG550试件绕弱轴失稳44个，绕强轴失稳19个）和偏压试验（S280试件荷载偏向腹板11个，偏向卷边10个，绕强轴失稳37个；S350试件荷载偏向腹板19个，偏向卷边7个，绕强轴失稳7个；LG550试件荷载偏向腹板14个，偏向卷边16个，绕强轴失稳18个），揭示了冷弯薄壁型钢开口截面构件的失稳破坏模式，为畸变屈曲受力性能分析提供了坚实的试验基础。 其次，本文基于能量法，提出局部屈曲和畸变屈曲相关屈曲的分析方法，得出了畸变屈曲弹性及弹塑性屈曲应力的计算公式以及畸变屈曲半波长的计算公式，提出了不考虑腹板相关作用的边缘加劲板件的屈曲稳定系数，并分别考虑最大应力作用于卷边侧和最大应力作用于腹板侧的情况。比较分析表明，该系数表达式具有很好的精度和适用性，且与现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的处理方法相一致。同时，也可方便地对畸变屈曲和整体失稳相关作用的承载力进行分析计算。在此基础上，对于卷边槽形截面构件，采用有效宽度法，建立了同时考虑畸变屈曲、整体屈曲和局部屈曲的承载力统一计算方法。 最后，基于上述理论，对控制畸变屈曲发生的构造措施及设计原则进行了试验研究和理论分析，提出了不同基本构件不发生畸变屈曲时对卷边尺寸的要求限值，验证了在构件的卷边间加设缀板以控制畸变屈曲发生的有效性及设计原则，对工程设计具有重要指导意义。 基于课题研究成果，已发表英文期刊论文1篇、录用1篇；中文期刊论文3篇、录用3篇。培养博士生1名、硕士生4名。研究成果为正在修编国家标准《冷弯型钢结构技术规范》（GB50018）、国家行业标准《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》（JGJ227-2011）及上海市地方标准《轻型钢结构技术规程》（DG/TJ08-2089-2012）所采纳。 2100433B