Bending tests and finite element analysis of lipped channels with complex edge stiffeners and web stiffeners

In order to study the bearing capacity and stability behavior of cold-formed steel flexural members with complicated sections,a total of 12 specimens divided into 6 groups were tested,including 3 groups of pure bending tests and non-pure bending tests each.There were three types of sections considered in this investigation,including channels with complex edge stiffeners(called B1-section),Σsection with complex edge stiffeners(called B2-section),and channels with complex edge stiffeners and V-type web stiffeners(called B3-section).Local buckling,distortional buckling and interaction buckling between them were observed in tests.The experimental results indicate that the bending strengths of B2-section specimens were the largest of these three types of specimens under the same conditions.It is found that the bending strength of B2-section specimens was increased by 6.47%for pure bending state and 8.12%for non-pure bending state,compared with that of B1-section specimens.Bending strength of B3-section specimens was almost the same with that of B1-section specimens under pure bending,but a little smaller than that of B1-section under non-pure bending state.It is also shown that B2-section specimens have better plastic deformation behavior than the other two sections.In addition,a non-linear finite element model was presented and verified against tests.The finite element analysis results agree well with experimental bending strength and failure modes.

550MPa高强冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件畸变屈曲试验研究

为了研究屈服强度550MPa高强冷弯薄壁型钢受弯构件的畸变屈曲性能,分别对直卷边、斜卷边和复杂卷边3种卷边形式的12组高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行了静力试验研究,其中纯弯试验6组,非纯弯试验6组。试验结果表明,卷边形式是影响试件发生畸变屈曲或局部和畸变相关屈曲的重要因素。相同卷边形式下,非纯弯试件的承载力均高于纯弯试件的承载力,且提高幅度与试件屈曲破坏模式有关,只发生畸变屈曲的试件承载力提高幅度最大,而在发生局部和畸变相关屈曲的试件中,由畸变屈曲引起破坏的试件承载力提高幅度次之,由局部屈曲引起破坏的试件承载力提高幅度最小。

腹板开孔Σ形复杂卷边槽钢轴压承载力试验

以不同截面形式的腹板开孔薄壁钢构件轴压性能为研究对象，分别对复杂卷边槽钢、∑形复杂卷边槽钢两种截面形式，共10根腹板开孔轴压简支柱进行了承载力试验。试验结果表明，与相同用钢量下的腹板开孔复杂卷边槽钢相比，腹板开孔∑形复杂卷边槽钢轴压构件的承载效率可提高30％～50％。与相同条件下的不开孔构件轴压试验相比，开孔构件的破坏模式基本不变，但破坏位置多发生在孔洞附近。利用有限元软件对试验进行模拟分析，模拟结果与试验结果吻合良好。以此为基础，采用有限元模拟对比了相同截面形式下腹板开孔和不开孔轴压构件的承载效率和应力云图，结果表明，与同截面的不开孔构件相比，腹板开孔复杂卷边槽钢的承载效率平均下降6．15％，腹板开孔∑形复杂卷边槽钢的承载效率平均下降25．57％。孔洞的存在改变了构件的应力分布情况，较大应力区域和最大应力点均出现在孔洞附近。

帽形加劲复杂卷边槽钢柱的稳定性能

为进一步了解帽形加劲复杂卷边槽钢柱的受力性能,利用ANSYS有限元分析软件对帽形加劲复杂卷边槽钢柱在轴压和偏压状态下的稳定性能进行分析.研究了立柱长度、板件宽厚比、截面类型以及偏心距对帽形加劲复杂卷边槽钢柱的稳定承载力、破坏模式及变形等性能的影响.研究结果表明:在板件厚度不变时,C2截面构件的承载效率相比C1截面构件提高了10%~20%,C3截面构件相比C1截面构件提高了40%~50%.腹板帽形加劲复杂卷边槽钢柱的承载力最大发生在负偏心一侧,而腹板及翼缘帽形加劲复杂卷边槽钢柱在正偏心处承载力最大.

帽形加劲复杂卷边槽钢柱偏压性能试验研究

对共计18个简支试件进行偏心受压试验,分析并研究了未加劲、腹板中央帽形加劲、腹板和翼缘中央帽形加劲3种截面复杂卷边槽钢的极限承载力、失稳模式及变形特征等特性.结果表明:有效形心移动对偏心承压构件的承载能力有很大影响.在板件中央设置帽形加劲可以适当减小板件的宽厚比,显著提升受压构件的极限承载力及钢材利用率,但畸变屈曲在构件失稳模式中起控制作用.在同等条件下,板件中央帽形加劲偏压构件的承载效率提升了15%~70%.

帽形加劲复杂卷边槽钢柱轴压性能试验研究

对18根板件中间加劲复杂卷边槽钢简支轴心受压试件进行了承载力试验研究,其中包括有截面形式、试件长度等方面的变化,研究了板件中间加劲对构件承载能力和破坏模式等方面的影响.试验结果表明：板件帽形加劲可以大大提高构件的稳定承载力.与普通复杂卷边槽钢构件相比,在相同条件下采用板件帽形加劲的构件其承载效率提高了大约10%-40%,其破坏模式变为以畸变屈曲为主要控制因素的畸变及其相关屈曲的破坏.同时利用有限元软件模拟相同试件的承载力和破坏模式,与试验结果吻合良好.

中间加劲复杂卷边槽钢纯弯构件弹性畸变屈曲应力计算方法研究

为了研究中间加劲复杂卷边槽钢纯弯构件弹性畸变屈曲应力简化计算方法,采用有限条分析软件CUFSM对不同参数的复杂卷边槽钢、Σ形复杂卷边槽钢以及腹板V形加劲复杂卷边槽钢各70个构件的畸变屈曲应力进行数值分析。在此基础上,借鉴现有板件局部屈曲应力的表达方式,引入畸变屈曲系数,经拟合分析提出上述构件畸变屈曲应力的简化计算公式,并将复杂卷边槽钢和腹板V形加劲复杂卷边槽钢的公式进行合并,对公式的有效性进行验证。

冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件稳定性能分析

采用有限元软件ANSYS对3种加劲形式冷弯薄壁复杂卷边槽钢受弯构件的稳定性能进行了非线性分析,结果表明:加劲形式是影响构件屈曲模式和抗弯承载力的重要因素,构件在非纯弯状态下的抗弯承载力均大于纯弯状态下的抗弯承载力。

加劲冷弯薄壁型钢受弯构件屈曲分析

为了研究V形加劲冷弯薄壁型钢槽形截面受弯构件的屈曲荷载,分别对直卷边槽钢、翼缘中间V形加劲直卷边槽钢和腹板及翼缘中间V形加劲直卷边槽钢三种截面形式的受弯构件进行了有限元屈曲分析.研究结果表明,板件中间V形加劲减小了板件的宽厚比,从而大幅度提高了受弯构件的屈曲荷载,板件中间V形加劲直卷边槽钢的屈曲荷载比相同条件下直卷边槽钢的屈曲荷载提高了12％～15％左右.

不同卷边形式冷弯薄壁槽钢受弯构件有限元分析

为了研究卷边形式对冷弯薄壁槽钢受弯构件屈曲模式和抗弯承载力的影响,应用有限元软件ANSYS对直卷边、斜卷边和复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件进行了有限元分析,分析结果表明,复杂卷边进一步加强了对构件翼缘的约束作用,提高了构件的抗弯承载力,其构件的承载效率最高,并在一定程度上限制了畸变屈曲的发生。

腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性试验研究

为了研究腹板开孔对不同截面形式冷弯薄壁型钢受弯构件稳定性能的影响,对腹板开孔的复杂卷边槽钢(B1截面)、形复杂卷边槽钢(B2截面)共计8个简支梁试件进行稳定性试验研究,其中研究纯弯的试件4个,非纯弯的试件4个。试验结果表明:B2截面试件的受弯承载效率均高于B1截面试件,B1截面试件受开孔的影响较大,而B2截面试件由于腹板加劲肋的设置减弱开孔对截面的影响,两者在开孔处均发生明显的剪切变形。与相同条件下不开孔试件的试验结果对比表明:开孔试件的极限荷载均有不同程度的降低,非纯弯状态的下降幅度大于纯弯状态的;开孔试件的失稳模式基本不变,但破坏位置多发生在孔洞截面处。对试验进行有限元模拟分析,计算结果与试验结果吻合良好。在此基础上,利用有限元模拟对比相同截面腹板开孔和不开孔受弯构件的应力分布云图,结果表明,孔洞的存在改变了构件的应力分布,使孔洞周边区域发生应力集中现象,B1截面开孔受弯构件最大应力主要集中在弯剪段孔洞附近,而B2截面开孔后最大应力则主要集中在荷载作用点附近的受压翼缘上。

中间加劲复杂卷边槽钢轴心受压构件承载力试验研究

分别对复杂卷边槽钢、腹板中间V形加劲复杂卷边槽钢、腹板及翼缘中间V形加劲复杂卷边槽钢等四种截面形式,共计16根轴压简支柱进行了承载力试验。研究了此类复杂截面轴压构件的极限承载力及变形等特性。试验结果表明:中间加劲肋的存在有效地减小了板件宽厚比,大幅度提高了轴压构件的极限承载力。与相同条件下的复杂卷边槽钢相比,采用板件中间V形加劲的轴压构件承载效率可提高10%30%左右。对试验进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合良好,验证了分析方法的正确性。在此基础上,利用有限元分析对比了普通卷边槽钢与复杂卷边槽钢轴压构件的极限承载力,结果表明复杂卷边槽钢构件的承载效率高于普通卷边槽钢。

腹板加劲冷弯薄壁复杂卷边槽钢受压构件承载力试验研究

分别对复杂卷边槽钢、腹板中间进行形加劲复杂卷边槽钢、腹板中间进行V形加劲复杂卷边槽钢3种截面形式,共计30根简支受压试件进行了承载力试验,其中轴心受压试件18根,偏心受压试件12根。研究了腹板加肋复杂卷边槽钢受压构件的承载力、破坏模式及变形等性能。试验结果表明:腹板加劲有效地减小了板件宽厚比,大幅度提高了轴心受压构件及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力,使畸变屈曲代替局部屈曲起主要控制作用。与相同用钢量下的复杂卷边槽钢构件相比,腹板中间进行形加劲可使轴心受压及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力提高约60%~70%,腹板中间进行V形加劲可使轴心受压及向腹板一侧偏心的受压构件的承载力提高约40%~60%。有效形心偏移对偏压构件承载力的影响不可忽视。对试验进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合良好。

板件中间V形加劲复杂卷边槽钢轴压构件的稳定性能研究

分别采用有限条数值解法和手算方法对16根轴压简支试件的弹性局部、畸变屈曲临界应力进行了计算,对比了数值解法与手算方法的计算结果,验证了手算方法求解弹性稳定临界应力的有效性。研究了V形加劲复杂卷边槽钢轴压构件的弹性稳定性能。研究表明:V形加劲肋的存在对轴压试件的弹性局部屈曲临界应力影响显著,但对弹性畸变屈曲临界应力影响较小,减小翼缘板件的宽厚比能明显提高截面的弹性畸变屈曲临界应力。

不同截面形式高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力试验研究

对36个屈服强度为550 MPa的高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行静力试验研究,考虑了加劲形式和卷边形式对试件受弯性能的影响,其中加劲形式分为无加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘及腹板中间V形加劲3种,卷边形式分为直卷边、斜卷边和复杂卷边3种。试验结果表明:加劲形式和卷边形式是影响试件受弯承载力和屈曲模式的重要因素;与无加劲形式相比,采用板件中间V形加劲有效减小了板件宽厚比,试件受弯承载力提高了30%~70%;同种加劲形式下,短(直、斜)卷边试件受弯承载力提高幅度最大,复杂卷边试件提高幅度次之,长(直、斜)卷边试件提高幅度最小;试验过程中试件发生了局部屈曲、畸变屈曲与局部和畸变相关屈曲。对试验进行了有限元模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。

冷弯薄壁复杂卷边槽钢轴压固支构件稳定性能分析

为研究复杂卷边槽钢轴压固支构件的稳定性能,选取不同的翼缘宽厚比、截面形式、构件长度、卷边长度等几何参数,对共计292个构件进行非线性有限元分析,研究上述参数对复杂卷边槽钢固支构件稳定性能的影响。结果表明:固支构件较易发生畸变屈曲,翼缘宽厚比较大时,构件的整体失稳模式多为弯扭屈曲。构件的极限承载力随着翼缘宽厚比、构件长细比的增大而减小,卷边对构件承载效率的影响随翼缘宽厚比的不同而呈现两种不同的规律。

斜卷边冷弯薄壁槽钢轴压柱弹性畸变屈曲计算

畸变屈曲是冷弯薄壁卷边槽钢的一种重要屈曲模式,弹性畸变屈曲临界应力是目前一些主要规范计算畸变屈曲的关键。该文首先推导出畸变屈曲模式下,构件纵向翘曲位移的显式计算公式,从而简化计算过程;然后基于经典的薄板理论,计算平面内位移,确定构件平面内的变形,在现有研究基础上得到斜卷边冷弯薄壁槽钢轴压柱弹性畸变屈曲计算公式;最后与有限条法、近似模型计算法进行对比,验证了该文计算方法的正确和有效性。该文中的弹性畸变屈曲计算公式简单,便于手算,可供工程设计人员参考。

腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁局部屈曲性能及直接强度法研究

为了研究腹板开孔复杂卷边冷弯槽钢梁的局部屈曲性能,以及探究北美冷弯型钢结构设计规范(AISI S100-2016)中腹板开孔冷弯槽钢梁局部屈曲直接强度法计算公式的可靠性,对孔高比(孔洞高度与腹板高度的比值)分别为0、0. 2、0. 4、0. 6和0. 8的10个腹板开矩形孔复杂卷边冷弯槽钢梁纯弯试件进行了静力试验研究。试验结果表明,开孔和不开孔试件均发生以局部屈曲为主的屈曲破坏模式,与不开孔试件相比,开孔试件的受弯承载力下降,且下降幅度随孔高比的增大而增大。利用ANSYS有限元程序对试验进行了模拟分析,分析结果与试验结果吻合良好;在此基础上,采用经试验验证的有限元模型,通过变换腹板高度、板厚和孔高比开展了有限元参数分析,并根据有限元参数分析结果对已有腹板开孔冷弯槽钢梁的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式进行了修正。基于试验结果、有限元参数分析结果以及修正的弹性局部屈曲临界应力近似计算公式,对AISI S100-2016中开孔冷弯槽钢梁发生以局部屈曲为主破坏时的直接强度法计算公式进行了修正。

板件中间加劲的复杂卷边槽钢轴压构件弹性畸变屈曲应力的实用计算法

为了研究板件中间加劲的复杂卷边槽钢轴压构件畸变屈曲临界应力的简便计算方法,应用有限条分析软件CUFSM对冷弯薄壁板件中间加劲的复杂卷边槽钢以及腹板中间V型加劲的复杂卷边槽钢共90个轴压构件进行数值模拟,分析各参数对构件弹性畸变屈曲临界应力的影响。经拟合分析,得出针对板件中间加劲的复杂卷边槽钢、腹板中间V型加劲的复杂卷边槽钢轴压构件的弹性畸变屈曲临界应力的简化计算公式,并验证该公式的有效性。

腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合偏压构件承载力试验研究

分别对单肢为腹板开孔复杂卷边槽钢和Σ形复杂卷边槽钢的共计8根双肢拼合工字形截面偏心受压构件进行了承载力试验。研究了此类偏压构件的极限承载力及失稳模式。采用ANSYS有限元软件模拟了试验并与试验结果进行对比,验证了建模及分析过程的准确性。通过变参数分析了开孔及不同孔形对构件承载力的影响。结果表明:腹板开孔复杂卷边槽钢双肢拼合构件(DC1截面)的最终破坏模式为局部、畸变和整体弯曲三者相关屈曲;腹板开孔Σ形复杂卷边槽钢双肢拼合构件(DC2截面)的最终破坏模式为畸变和整体弯曲相关屈曲;随着偏心距的增大,两类截面构件的破坏模式基本不变。在相同条件下,开孔会使构件的承载力明显降低,DC1截面和DC2截面开孔比不开孔构件的承载力分别下降了约4%~11%和6%~15%。在开孔高度相同时,腹板开设不同形状的孔洞对构件的承载力影响较小,但考虑到开孔位置处的应力集中问题,椭圆形孔和圆形孔比有尖角的矩形孔和正方形孔更优。