巨型截面短深鋼樑力學性能

《巨型截面短深鋼樑力學性能》是依託上海交通大學，由趙金城擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：巨型截面短深鋼樑力學性能
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙金城
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

巨型截面鋼樑截面尺寸大，跨高比一般較小，剪下變形影響不能忽略，當前鋼結構分析理論與規範並不能真實地反映巨型截面短深鋼樑實際受力性能。本項目擬建立同時考慮彎曲和扭轉剪下變形的一階梁理論。以一階梁理論微分方程的解為基礎得到新型梁單元的位移模式，推導適用於短深鋼樑，綜合考慮彎曲和扭轉剪下變形、彎扭耦合以及P-δ效應等影響因素，可跟蹤塑性發展的新型空間梁單元模型。在此基礎上編制相應的有限元分析程式。同時，對巨型截面工字鋼樑進行試驗研究與有限元分析，研究各參數對短深鋼樑的靜力力學性能的影響。通過本項目研究，希望能在理論上揭示剪下變形對短深鋼樑彎扭性能的影響，明確巨型截面短深鋼樑的尺寸界定，建立適用於短深鋼樑的梁單元模型，闡明鋼樑各參數對其應力分布和撓度變形影響的規律；在套用上，可為短深鋼樑及其鋼框架提供分析工具，並對以後巨型截面短深構件的設計提供理論依據。

結題摘要

為了考慮剪下變形對薄壁鋼樑力學性能的影響，在Vlasov薄壁梁理論的基礎上發展了考慮剪下變形影響的一階薄壁梁理論。由於截面剪心的特性，薄壁鋼樑的彎曲與扭轉是解耦的，可以單獨推導相應理論。於是，分別對薄壁構件的彎曲和扭轉問題進行了分析研究，建立了相應的微分方程。在新型薄壁梁單元推導的基礎上，利用面向對象的C++語言編制了非線性分析程式，並利用數值算例進行了驗證。算例分析表明，建立的有限單元模型可以給出更精確的結果，並且避免了剪下自鎖現象的發生。 對巨型截面短深鋼樑進行試驗研究，試驗對象包括8根構件，其中4根為普通工字鋼樑構件，2根為均質疊合梁，2根為混合鋼種疊合梁，構件的跨高比均在3~6之間。在疊合梁試驗結果基礎上，總結了疊合梁與普通工字型鋼樑的主要力學性能差異，證實了混合鋼種疊合梁的設計經濟性，並提出了具體的設計建議。通過靜力荷載試驗和相應的有限元分析，證實了短深鋼樑整體穩定和局部穩定問題的相關性。為研究設計參數對鋼樑力學性能的影響規律，引入了分類設計的概念，並基於有限元數值分析的結果，分別提出了工字型截面構件在彎剪作用下的截面分類及構件分類方法，為構件設計方法的發展提供參考。 通過試驗和有限元分析，已證實局部穩定對構件整體的力學性能存在顯著影響。尤其對於跨高比較小的工字型短深鋼樑，由剪力主導的破壞模式有腹板局部失穩的顯著特點。然而，一階梁理論中包含了剛周邊假定，即無法考慮板件的局部屈曲作用。為進一步建立合理的短深鋼樑力學模型，引入了非線性廣義梁理論模型，並利用FORTRAN編制了相應程式，進行算例分析和討論。算例分析表明，廣義梁理論模型能準確模擬構件的力學性能，不但包含了板件局部屈曲變形和中面剪下變形，亦可對各類變形的影響程度進行量化。