格构角钢立柱轴压试验及有限元分析(一)

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【概要描述】以组合墙体中的格构角钢立柱为对象,针对0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,1.8mm,5种不同的厚度,通过轴压试验和有限元分析研究格构角钢立柱的轴压极限承载力和破坏模态,并进行对比。结果表明:同一厚度的3个格构角钢立柱试件,由于初始几何缺陷的不同,其轴压承载力、荷载-位移关系曲线有一定差别

格构角钢立柱轴压试验及有限元分析(一)

【概要描述】以组合墙体中的格构角钢立柱为对象,针对0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,1.8mm,5种不同的厚度,通过轴压试验和有限元分析研究格构角钢立柱的轴压极限承载力和破坏模态,并进行对比。结果表明:同一厚度的3个格构角钢立柱试件,由于初始几何缺陷的不同,其轴压承载力、荷载-位移关系曲线有一定差别

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王小平,李志强,邹吉文,周兆忠

(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070

 

摘 要: 以组合墙体中的格构角钢立柱为对象,针对0.8mm,1.0mm,1.2mm,1.5mm,1.8mm,5种不同的厚度,通过轴压试验和有限元分析研究格构角钢立柱的轴压极限承载力和破坏模态,并进行对比。结果表明:同一厚度的3个格构角钢立柱试件,由于初始几何缺陷的不同,其轴压承载力、荷载-位移关系曲线有一定差别;由于对初始几何缺陷十分敏感,当厚度值较小时,3个试件的轴压载力相差较大,而当厚度较大时,3个试件的轴压承载力相差很小;由于绕弱轴方向的刚度和转动刚度都很低,格构角钢立柱基本发生的是绕弱轴弯曲失稳破坏,或同时伴随有立柱中部的局部扭曲或凸曲现象;格构角钢立柱通过有限元分析得到的荷载-轴向位移曲线和试验曲线走势一致,破坏模态基本相同,且极限承载力相符合较好,说明了文中提出的针对格构角钢立柱的有限元建模方法的正确性和合理性。

关键词:格构角钢立柱;极限承载力;破坏模态;轴压试验;有限元分析

中图分类号TU375.3文献标识码:A文章编号16714431201611006408

 

传统冷弯薄壁型钢房屋的墙体由冷弯C型立柱、结构板(如OSB板)、保温层、防火层及装饰层构成,具有自重轻、抗震性能好、抗侧承载力高、生产安装方便、现场无湿作业等优点。但这种墙体也存在造价偏高、感觉不实、二次装修及悬挂重物不方便等不足。

文中研究的是一种格构角钢龙骨组合墙体,由格构角钢龙骨和发泡混凝土构成,两者共同受力[i][ii]。其中,组合墙体中的角钢龙骨由密排的格构角钢立柱、圈梁和斜撑通过自攻螺丝连接而成[iii]。其中格构角钢立柱是由两个带卷边的角钢和矩管连接件通过自攻螺丝连接而成。显然,格构角钢龙骨组合墙体具有以下优势:1)克服了传统冷弯薄壁型钢房屋墙体的不足,在我国具有较好的应用前景;2)发泡混凝土可从格构角钢立柱中直接穿过,混凝土和龙骨之间具有更好的包裹;3)格构角钢龙骨的孔洞较多,更便于管线的铺设;4)格构角钢上下层立柱及圈梁之间可以相互连接,省去墙体的抗拔连接件。

目前国内外有关外包发泡混凝土轻钢龙骨组合墙体及格构角钢立柱的相关研究并不多。程艳珍1对外包发泡混凝土格构角钢组合立柱的12个试件进行轴压试验和有限元分析,研究了这种组合立柱的受力性能、极限承载力和破坏模态。王肖雄2对两种不同宽度的外包发泡混凝土格构角钢组合墙体进行了抗侧力试验和有限元分析,研究了墙体的抗侧力承载力和破坏模态,并提出了简化计算模型。刘峰3以外包发泡混凝土的冷弯薄壁帽型截面立柱为对象,采用ABAQUS有限元方法分析了立柱的承载力、破坏模态和影响因素。文献[[iv]]和文献[[v]]则以18个冷弯薄壁帽型截面和发泡混凝土构成的宽600mm200mm3m组合立柱为对象,通过试验和有限元分析,研究了组合立柱的轴压承载力和破坏形式,并与单纯帽钢立柱轴压承载力进行了比较,得到了一些重要结论。邹吉文[vi]通过轴压试验和有限元分析研究了格构角钢龙骨立柱的受力性能、极限承载力和破坏模态。Maia[vii]对缀板连接的双角钢截面柱进行了试验和有限元分析,研究了缀板采用焊接与螺栓连接两种方式和缀板间距对柱变形和承载力的影响。Young[viii]对高强度钢材冷成型的薄壁角钢进行了轴压试验,并将结果与北美规范、澳大利亚/新西兰规范计算结果进行比较。Young[ix]对带卷边的冷弯薄壁角钢进行屈曲分析,并考虑了初始缺陷,残余应力等影响,同时与北美、澳洲规范进行对比。

如前所述,文献[1]、文献[2]分别研究了包裹发泡混凝土的单片格构角钢组合立柱和组合墙体的承载力。为便于比较,作者以格构角钢组合墙体中单纯的格构角钢立柱为研究对象,在文献[6]研究成果的基础上,对其进行轴压承载力试验和有限元分析,为这种组合墙体的设计和应用提供参考。



参考文献

[[i]] 程艳珍.外包发泡混凝土角钢龙骨组合立柱轴压试验与有限元分析[D.武汉:武汉理工大学,2015.

[[ii]] 王肖雄.外包发泡混凝土角钢龙骨墙体抗侧力试验及研究[D.武汉:武汉理工大学,2015.

[[iii]] 刘烽.外包发泡混凝土帽钢片柱轴压承载力有限元分析[D.武汉:武汉理工大学,2014.

[[iv]] 李澍.外包发泡混凝土帽钢龙骨立柱轴压试验与有限元分析[D.武汉:武汉理工大学,2015.

[[v]] 王小平,李志强,李澍.外包发泡混凝土帽钢龙骨组合立柱轴压承载力试验及分析[J].钢结构,2016,31(2)59-63

[[vi]] 邹吉文.格构角钢龙骨立柱轴压试验及有限元分析[D]武汉:武汉理工大学,2014.

[[vii]] Maia W F,Vieira JR LCF,Schafer W,et. alExperimental and Numerical Investigation of Cold-formed Steel Double Angle Members Under Compression[J].Journal of Constructional Steel Research,2016,121:398-412.

[[viii]] Young B.Experimental Investigation of Cold-formed Steel Lipped Angle Concentrically Loaded Compression Members[J].Struct Eng,2005,131(9):1390-1396

[[ix]] Young B. Ellobody E.Buckling Analysis of Cold-formed Steel Lipped Angle Columns[J].Struct Eng,2005,131(10):1570-1579

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