冷弯薄壁型钢双肢开口拼合轴压柱失稳机理和承载力设计方法研究

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1、分类号:TU39310710-2015028001博士学位论文冷弯薄壁型钢双肢开口拼合轴压柱失稳机理和承载力设计方法研究路延导师姓名职称周天华教授申请学位类别工学博士学科专业名称结构工程论文提交日期2018年3月14日论文答辩日期2018年6月12日学位授予单位长安大学Researchonthebucklingmechanismandultimatestrengthdesignmethedofcold-formeddouble-limbsbuilt-upopen-sectioncolumnsADissertationSubmi

2、ttedfortheDegreeofDoctorCandidate：LuYanSupervisor：ZhouTianhuaChang’anUniversity,Xi’an,China摘要近年来，以两根截面尺寸相同的冷弯薄壁C形钢为基本单元，通过若干自攻螺钉连接而成的冷弯薄壁型钢（以下简称CFS）双肢开口拼合柱，因其良好的受力性能，在CFS结构中得到了大量应用，也引起了行业研究者的高度关注。然而，现有的研究基本仍停留在初级阶段，即从承载力的角度上，通过试验研究或数值模拟，初步了解螺钉间距、布置和截面构型等基本参数的影响规律，却忽

3、视了这类构件的核心问题—稳定问题，即未从失稳机理基本规律上出发，揭示这些基本参数和承载力的定量关系，导致工程师在设计该类构件的时候，只能做出一些保守的估算，缺乏系统的理论指导。鉴于此，本文对CFS双肢开口拼合柱失稳机理进行了深入研究，首次揭示了连接界面不连续、板件相关性和构件相关性等因素对其稳定性能的影响规律，并在明确失稳机理的基础上，建立了更接近这类构件受力特性的承载力设计方法，主要研究内容如下：（1）进行了CFS双肢开口拼合柱的轴压性能试验分别进行了18根C形截面和18根双肢开口拼合截面构件的轴压性能试验，并通过试验结果的

4、对比分析，研究了“拼合效应”对CFS双肢开口拼合柱承载力、失稳变形模式和屈曲后强度的影响规律。（2）推导了螺钉拼合板屈曲临界荷载的解析解推导了考虑剪切滑移变形和自攻螺钉约束作用的螺钉拼合板屈曲临界荷载解析解，拓展了薄板理论在螺钉拼合板上的适用范围，进而解决了国内外长久以来缺乏相关理论的困境。（3）分别推导了CFS双肢开口拼合柱局部屈曲临界荷载PcrL和畸变屈曲临界荷载PcrD的解析解，并将其拓展应用于局部屈曲承载力PuL和畸变屈曲承载力PuD计算。在螺钉拼合板的研究基础上，分别建立了PcrL和PcrD的计算模型，推导了PcrL

5、和PcrD的解析解。值得一提，本文PcrL和PcrD计算模型，采用构件自身长度L和屈曲半波数m两者共同作为纵向变形特征参数，修正了传统理论不能有效考虑边界约束条件对PcrL和PcrD影响的问题。最后，为考虑屈曲后强度、材料属性以及初始缺陷等因素对承载力的影响，将PcrL和PcrD引入了Schafer的局部屈曲和畸变屈曲承载力设计曲线，实现了屈曲临界荷载和极限荷载（承载力）的对接，首次建立了CFS双肢开口拼合柱的局部屈曲承载力PuL和畸变屈曲承载力PuD计算方法。i（4）推导了CFS双肢开口拼合柱绕虚轴弯曲屈曲的临界荷载PcrG

6、解析解，并将其拓展应用于弯曲屈曲承载力PuG计算。构建了PcrG的计算模型，并基于能量法推导了PcrG的解析解，修正了传统修正长细比法过于保守的问题。最后，为考虑材料属性以及初始缺陷对承载力的影响，将PcrG计算式引入了美国规范的弯曲屈曲承载力设计曲线，实现了PcrG和PuG的对接，首次建立了CFS双肢开口拼合柱弯曲屈曲承载力PuG的计算方法。（5）建立了更接近CFS双肢开口拼合柱受力特性的承载力设计方法。在分析总结前人研究和不足上，基于已提出的PcrL、PcrD和PcrG，首次给出了CFS双肢开口拼合柱局部-畸变屈曲的判据，

7、并基于判据提出了CFS双肢开口拼合柱承载力设计方法。相关结果表明，本文提出的承载力设计方法既避免了传统直接强度法不能有效考虑局部-畸变相关屈曲的不安全问题，又解决了已有的局部-畸变屈曲相关屈曲设计曲线的过于保守的问题，优越性明显。本文的主要创新点有：（1）推导了螺钉拼合板屈曲临界荷载的解析解，拓展了薄板理论在螺钉拼合板上的适用范围。（2）揭示了CFS双肢开口拼合柱局部屈曲、畸变屈曲和绕虚轴弯曲失稳的失稳机理，并在此基础上推导了局部屈曲临界荷载PcrL、畸变屈曲临界荷载PcrD和绕虚轴弯曲屈曲临界荷载PcrG通用计算式，为提出更

8、接近这类构件受力特性的承载力设计方法奠定了理论基础。（3）建立了能够考虑边界约束条件影响的CFS双肢开口拼合柱局部屈曲临界荷载PcrL、畸变屈曲临界荷载PcrD解析解，修正了传统理论在这方面问题上的不完备性，进而明确了边界约束条件到底对PcrL、PcrD有没有影响，以及如何考