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Q690高强钢焊接箱形截面轴压构件稳定性分析

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:45255
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  • 日期:2024-10-03
  • 来源:上海论文网

工程论文哪里有?本文针对Q690高强度钢材焊接箱形截面轴压构件,分别对其展开轴压构件局部稳定性分析、整体稳定性分析以及局部-整体相关稳定性分析。

第1章 绪论

1.2.2 高强度钢材

1.2.2.1 高强度钢材的特点及工程应用

通常情况下,高强度钢材(以下简称“高强钢”)是采用微合金化和热机械轧制技术生产出的具有高强度(𝑓𝑦≥460MPa)、良好韧性、延性和加工性能的一种高性能结构材料[5][6]。

在国内外高强钢的工程应用中,伴随着施工与设计技术的发展,高强钢被广泛地应用于各种建筑结构中,已有很多的钢结构工程成功应用了高强度钢材,如国家体育场(图 1-2(a)所示)[7]、深圳湾体育中心(图 1-2(b)所示)[8]、凤凰国际传媒中心(图 1-2(c)所示)[9]和德国柏林索尼中心等结构工程。并且取得了良好的经济和社会效益。目前,高强钢的工程应用和发展已成为钢结构的新发展趋势,在未来将拥有更加广阔的发展前景和使用价值。

第3章 Q690高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性分析

3.1 试件概况

本章模拟的试件对象为两组690MPa焊接箱形截面轴压试件,包括方形箱形和矩形箱形截面,用于验证建立的有限元模型的正确性和可靠性。

第一组试件为1981年日本学者Usami等[28][35]制作的5根屈服强度为690MPa的方形和矩形截面轴压长柱,试件的具体截面形式如图2-1(a)所示。第二组试件为1994年澳大利亚学者Rasmussen等[29]等制作的6根690MPa的方形长柱,试件的具体截面形式如图3-1所示。两组试件的具体截面尺寸如表3-1所示。表中,𝐿𝑒是柱脚转动中心至试件端面距离,即为端板长度,𝐿𝑡是试件的有效计算长度,𝐿是试件实际物理长度,𝑏0是试件截面净宽度,ℎ是截面高度,𝑡𝑓是截面翼缘板厚度,腹板厚度𝑡𝑤与翼缘板厚度相等,𝑏0𝑡𝑓⁄是截面宽厚比,𝜆𝑐是构件有效计算长细比。𝜆𝑐的计算公式如式(3-1)所示,式中,𝐼是截面惯性矩,𝐴是截面面积。

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第4章 Q690焊接箱形轴压构件局部-整体相关稳定性分析

4.1 试件基本概况

本章采用两组Q690高强钢焊接箱形轴压构件相关稳定的试验结果,验证建立的有限元模型的正确性和可靠性。其中,第一组试件为Usami等[28][35]制作的6个屈服强度为690MPa的方形箱形截面轴压构件,试件的具体截面形式见图2-1(a)。第二组试件同为Usami等[28][35]制作的8个屈服强度为690MPa的轴压构件,截面形式为矩形箱形截面,试件的具体截面形式见图2-1(a)。两组试件的具体构件尺寸见表4-1所示。其中,𝐿𝑒是柱脚转动中心至试件端面距离,即为端板长度,𝐿𝑡是试件的有效计算长度,𝐿是试件实际物理长度,𝑏0是试件截面净宽度,ℎ指截面高度,𝑡𝑓是截面翼缘板宽度,腹板宽度𝑡𝑤与翼缘板宽度相等,𝑏0𝑡𝑓⁄是截面宽厚比,𝜆𝑐是构件有效计算长细比,𝜆𝑐的计算公式如式(3-1)所示。

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4.2 相关稳定性能有限元模型数值分析

4.2.1 有限元模型的建立

与前文中的有限元模型的建立过程相似,在建立数值分析模型时主要注意几个方面:

(1)有限元模型的单元类型及模型建立方式。与局部稳定性分析模型及整体稳定性分析模型中的单元类型相同,采用SHELL181平面壳单元,采用直接建模的方法,建立相关稳定性有限元分析模型,以此来实现板件发生局部屈曲、构件发生整体屈曲的工程模拟。

(2)有限元模型的网格划分。采用映射划分方法(Mapped),单元划分边长尽量控制在20mm以内,以此来确保足够的计算精度及高效的求解过程。

(3)钢材本构关系材料模型的选择。两组试件的有限元模型采用Von Mises屈服准则,本构关系均采用多线性三折线等向强化模型,如前文中图2-5所示。图中钢材的屈服强度𝑓𝑦、抗拉强度𝑓𝑢、屈服应变𝜀𝑦和极限应变𝜀𝑢的数值采用表4-2中的两组试件钢材力学性能试验结果实测值。有限元模型选择Von Mises屈服准则。

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第5章 结论与展望

5.1 结论

本文针对Q690高强度钢材焊接箱形截面轴压构件(以下简称为“轴压构件”),建立考虑几何初始缺陷和焊接残余应力的有限元模型,在验证模型的可靠性和正确性的基础上,对构件进行参数化分析,探究影响稳定承载力的因素,分别对其展开轴压构件局部稳定性、整体稳定性以及局部-整体相关稳定性分析,利用有限元计算结果和已有的试验数值,提出了轴压构件局部稳定承载力建议计算公式和用于整体稳定承载力的计算方法,再此基础上,进一步提出了局部-整体相关稳定承载力计算公式。

基于本文主要研究工作,可以得到以下结论:

(1)基于已有的试验数据,本文建立的考虑实际缺陷(几何缺陷、材料几何非线性和焊接残余应力)的局部稳定、整体稳定和局部-整体相关稳定有限元模型,与试验结果进行对比分析后发现,其可以较为准确地模拟轴压构件的加载过程,并且可以较为准确地计算计算构件局部稳定、整体稳定和局部-整体相关稳定承载力。

(2)根据已验证其准确性的有限元模型,针对短柱构件进行参数分析,轴压构件局部屈曲极限承载力的主要影响因素是板件宽厚比、局部几何初始缺陷和焊接残余应力,局部几何缺陷仅对板件正则化宽厚比较小(𝜆𝑛≤1.0)的构件影响较大。板件正则化宽厚比𝜆𝑝>0.6时,焊接残余应力的存在使得局部屈曲极限应力比约降低10%左右,残余应力的影响显著。钢板厚度、钢板的长宽比影响很小,可以忽略不计。

(3)通过参数分析,对于轴压构件的整体稳定极限承载力,其主要影响因素是构件长细比、构件几何初始缺和焊接残余应力。其中,局部几何初始缺陷对构件整体稳定承载力的影响很小,其承载力的降低主要来自构件整体几何初始缺陷的增大。当正则化长细比𝜆𝑛在中长柱范围内时,即𝜆𝑛>0.6时,焊接残余应力对其整体稳定性的影响较大,当正则化长细比𝜆𝑛≤0.6时,残余应力的影响略为减小,但焊接残余应力的存在仍使得整体稳定承载力降低。

参考文献(略)

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