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轻型门式刚架结构因其轻巧、成型灵活、施工快、承载能力高等诸多特点备受青睐,成为目前国内应用最为广泛的钢结构形式之一。门式刚架结构的梁柱经常采用薄腹开展的楔形H型钢构件。这类构件的屈曲作用复杂,同时目前国内外相关研究尚多在弹性、静力荷载作用的范围内,而对其滞回性能则有待进行深入研究。因此对楔形H型钢梁柱在静、动力下的屈曲性能的研究具有较重要的理论意义和工程价值。
本文基于有限元分析软件ANSYS,采用板壳非线性有限元方法来研究轻型门式刚架结构中等、变截面H型钢梁的屈曲作用与其滞回性能。
首先,本文探讨了初始几何缺陷、焊接残余应力、腹板高厚比、翼缘宽厚比等因素对单调荷载作用下等截面H型钢梁屈曲性能的影响,研究结果表明:构件对一致模式的腹板局部缺陷更敏感;腹板高厚比越大,承载力越低,局部鼓曲变形发展越充分;弹性承载力是随着腹板高厚比的增加呈台阶状跳跃性降低,而极限承载力则是连续性降低;整体抗弯刚度和承载力均随翼缘宽厚比的增加而降低。上述研究是变截面构件相关性能研究的基础。
随后,本文重点分析了单调荷载作用下单、双段变截面H型钢梁的屈曲性能,讨论了初始几何缺陷、焊接残余应力、腹板高厚比、翼缘宽厚比、腹板楔率、荷载形式、构件长细比等因素的影响,并与现行《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》进行比较,获得了对工程设计具有参考价值的结论:剪应力对屈曲性能影响很大,避免在剪力大的截面采用大的腹板高厚比;在进行门式刚架梁的设计时,腹板尽量取薄一些,最好使得腹板高厚比在100至175的范围内。而翼缘要尽量取厚些;楔率则最好在小于3.0的范围内尽量取大。
最后,本文对低周循环荷载作用下单段变截面H型钢悬壁梁的屈曲性能进行了详细分析,研究的参数主要有腹板高厚比、翼缘宽厚比和腹板楔率。与规范对比结果表明:当腹板高厚比小于100时,构件承载力和延性的降低不大;翼缘宽厚比是影响承载力和延性的最主要因素,建议低周循环荷载作用下,翼缘宽厚比限值取为12;规范中楔率的限值0.268L/d0及6.0能满足构件在低周循环荷载作用下的耗能要求;悬壁H型钢梁在循环荷载作用下随长细比不同表现出三种循环破坏类型:循环塑性破坏、循环弹塑性弯扭屈曲和循环弹性弯扭屈曲,发生循环弹性弯扭屈曲破坏的梁延性很差,在设计中应避免出现这种破坏。