压弯扭共同作用下闭口截面钢构件极限承载力研究

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1、压弯扭共同作用下闭口截面钢构件极限承载力研究UltimateStrengthofClosedSectionSteelMembersSubjectedtoCombinedCompression,BendingandTorsion国家自然科学基金杰出青年科学基金项目（51525803）国家自然科学基金青年项目（51308386）天津市建设系统科学技术发展计划项目（2014-06）学科专业：土木工程作者姓名：程禹皓指导教师：韩庆华教授天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要闭口截面钢构件由于其优异的力学性能被广泛地应用在结构工程和桥梁工程中，且可能会受到轴力、弯矩和扭矩

2、的共同作用。而目前各国相关规范中对压弯扭共同作用下钢构件的极限承载力设计方法仍不完善。因此有必要对压弯扭共同作用闭口截面钢构件极限承载力进行进一步的研究，提出相关的极限承载力计算方法。本文以闭口截面钢构件为研究对象，不考虑其平面外失稳，采用理论分析与数值模拟相结合的方法分别对其在弯扭或压弯扭共同作用下弯矩作用平面内的极限力进行研究。采用大型通用有限元分析软件ABAQUS对矩形截面钢管和圆钢管进行了数值模拟，在建模时引入了初始几何缺陷和残余应力，在分析时考虑了几何非线性和材料非线性的影响，特别针对具有复杂分布形式残余应力的冷弯方钢管，建立了便捷的残余应力引入方法。在

3、对残余应力和初始几何缺陷对极限承载力的影响进行参数化分析的基础上，针对弯扭钢构件，基于现有极限承载力计算方法，考虑矩形截面高宽比和板件宽厚比的影响得到了新的公式，扩大了计算公式的应用范围；针对压弯扭钢构件，通过对现行钢结构规范压弯构件平面内稳定承载力设计公式中的屈服判别准则进行改进，得出了压弯扭共同作用下闭口截面钢构件的极限承载力计算方法。主要结论有：1）初始几何缺陷对闭口截面钢构件极限承载力的影响大于残余应力，且该影响规律能够通过线性关系近似表示。轴力的存在会使初始几何缺陷的影响增大，即轴压、压弯、压扭荷载作用下钢构件极限承载力受到的影响大于弯矩、扭矩、或弯扭作

4、用下的情况。此外，压弯扭作用下可能存在的7种荷载路径对极限承载力基本没有影响。2）针对弯扭作用下闭口截面钢构件极限承载力，在局部屈曲理论得到的极限承载力计算方法的基础上，提出了适用于具有不同截面高宽比、板件宽厚比，以及腹板翼缘厚度比的矩形截面钢构件极限承载力计算方法，且与有限元分析结果的误差在6.8%以内。此外考虑剪力的影响得到了修正公式，误差在12.1%以内。3）在现有压弯构钢件极限承载力设计公式的基础上，根据Umansky自由扭转理论，改变屈服判别准则，得到了适用于压弯扭钢构件的极限承载力计算方法，并通过数值模拟的方法证明其适用于其它存在翘曲的闭口截面钢构件。

5、关键词：闭口截面，压弯扭共同作用，弯扭作用，极限承载力，平面内稳定IABSTRACTSteelmemberswiththeclosed-sectionarewidelyusedinstructuralengineeringandbridgeengineeringforitsoutstandingbearingcapacity.Andthosemembersareusuallysubjectedtocombinedcompression,bendingandtorsion.However,thereisstillnomethodtoobtaintheultimate

6、strengthforthosememberswhentheout-of-planebucklingispreventedinthedesigncodes.Hence,anintensiveresearchoftheultimatestrengthofmemberssubjectedtocombinedbending,torsionandcompressionisneeded.Thepredictionequationissignificant.Inthispaper,theultimatestrengthsofclosed-sectionsteelmembers

7、subjectedtocombinedbendingandtorsionandcombinedbending,torsionandcompressionwithlateralsupportsarestudied.Andtheinfluenceofshearisdiscussed.Boththefiniteelementmethodandtheoreticalanalysisareusedinthispaper.SteelmemberswithrectangularandcircularsectionsaresimulatedbyABAQUS,theeffectof

8、initi