高强度钢材轴心受压构件整体稳定性能与设计方法研究班慧勇

1、高强度钢材轴心受压构件整体稳定性能与设计方法研究(申请清华大学工学博士学位论文)培 养 单 位： 土木工程系学 科： 土木工程研 究 生： 班 慧 勇指 导 教 师： 石 永 久 教 授二一二年五月Research on the Overall BucklingBehavior and Design Method of HighStrength Steel Columns under AxialCompressionDissertation Submitted toTsinghua Universityin partial fulfillment of the requirementfor t

2、he degree ofDoctor of PhilosophyinCivil EngineeringbyBan HuiyongDissertation Supervisor: Professor Shi YongjiuMay, 2012摘 要I摘 要随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在国内外建筑和桥梁结构工程中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同；相关的研究工作国外刚刚起步且数量很少，国内还未开展研究。我国现行钢结构设计规范允许使用最高强度等级为 420MPa 的结构

3、钢材，相应设计条款均基于普通强度钢材的研究制定，这不利于高强度钢材钢结构优势的发挥。本文紧密结合我国目前钢结构设计规范的修订工作，通过大量的试验研究、数值计算和理论分析，全面、深入地研究了高强度钢材轴心受压构件的整体稳定性能，并提出了设计方法和计算公式；本文主要完成了以下几方面工作：（1）截面残余应力分布是研究构件整体稳定性能的最重要前提条件；本文采用分割法，测量了 3 种强度等级高强度钢材（420MPa、460MPa、960MPa）、3类截面（热轧等边角钢、焊接工字形和箱形截面）、共计 35 个试件的残余应力全截面分布；系统地研究了板件宽厚比、板件厚度、焊缝类型、人为测量误差、钢材强度、截面

4、板件相关性等因素对残余应力分布的影响。（2）基于本文的试验研究，并结合国内外大量实测数据，提出了针对不同强度等级钢材和不同截面类型的完整的残余应力分布模型，准确考虑了截面尺寸对残余应力数值的影响，并提出了详细的计算公式，为构件稳定性研究奠定了基础。（3）进行了 3 种强度等级高强度钢材、3 类截面、共计 84 个轴心受压构件的整体稳定性能静力加载试验，研究了其失稳破坏形态和稳定承载力。（4）建立了能够准确考虑几何初始缺陷和残余应力影响的有限元数值模型，并通过与本文及其他试验对比，验证了模型的可靠性和准确性；通过大量参数分析，研究了几何初始缺陷、残余应力、钢材材料力学性能等因素对高强度钢材轴压构

5、件整体稳定性能的影响。（5）计算了不同强度等级共计 930 个钢柱的整体稳定系数，通过与国内外主要钢结构设计规范对比，建议了高强度钢材轴压构件柱子曲线类型的选取，并提出了新的柱子曲线，同时基于我国现行规范设计方法提出了能够反映钢材强度影响的修正系数计算公式；为工程应用及研究提供了合理、可靠的设计方法。关键词：高强度钢材；残余应力；轴压构件；整体稳定；设计方法AbstractIIAbstractWith the development of the steel production and manufacture process, highstrength steel structures ha

6、ve been increasingly applied to building and bridgeconstructions in recent years, due to their advantages in structural safety, architecturalfunction, economical benefit and resource saving etc. The overall buckling behavior ofhigh strength steel compression columns may be characterized differently

7、from that ofnormal strength steel, because of their different material properties, manufacturingprocesses and effects from initial imperfections such as initial geometric defect andsectional residual stresses. However, investigations on high strength steel columnsinternationally have just started, w

8、hile in China there is no relevant research available.The current design code for steel structures GB50017-2003 in China allows the use of420MPa high strength steels, and the overall buckling design provisions for columns inthis standard are mainly based on the relevant researches of normal strength

9、 steelstructures, which is inadequate to mobilise the advantage of high strength steelstructures. Consequently, the solution on high strength steel columns is in urgent need.As one part of the research work for improving current Chinese steel structuredesign code, a large amount of experimental and

10、numerical investigations were carriedout to study the overall buckling behavior of high strength steel members under axialcompression in this dissertation, and the design method and calculation formulae wereproposed. The main research works covered in this dissertation include:(1) As one of the most

11、 important prerequisite for understanding the columnbuckling behavior, the residual stress distribution and magnitude of 35 different sectionswere measured by using the sectioning method, including three types of steel grades (i.e.420MPa, 460MPa and 960MPa) and three types of section shapes (i.e. ho

12、t-rolled equalleg angle, welded I-shape and box sections). The effects of the width-thickness ratio,plate thickness, weld type, human operating error, steel grade, interaction amongsectional component plates were clarified.(2) According to the experimental investigation conducted in this dissertatio

13、n aswell as many other researches, residual stress distribution models for different steelgrades (i.e. 420MPa, 460MPa) and various section types (i.e. hot-rolled equal leg angles,AbstractIIIwelded I-shape and box sections) were proposed. In addition, the unified model whichcan be applied to the abov

14、e steel grades welded I-shape and box sections was alsosuggested. The detailed calculation formulae for compressive residual stress magnitudeswere given, which can consider the effect of sectional dimensions (i.e. width-thicknessratio and plate thickness) very well.(3) Experimental investigations we

15、re carried out to clarify the overall bucklingbehavior of 420MPa steel hot-rolled equal leg angle columns, 460MPa and 960MPasteel welded I-shape and box section members. Totally 84 columns were tested. Initialimperfections such as the residual stress, initial bending and loading eccentricity weremea

16、sured. Based on test results the buckling deformation and capacity were investigated.(4) The finite element model was established, which considered the geometricnonlinear property, initial geometric imperfection and residual stress. By comparing thenumerical simulation results with experimental resu

17、lts in both present dissertation andother researches, the finite element model was validated. A large amount of parametricanalysis were carried out to investigate the effects from initial geometric imperfections,residual stresses to steel material properties such as the yield strength and yield-tens

18、ilestrength ratio. It was indicated that effects of initial imperfections were less severe forhigh strength steel columns, and thus the nondimensional buckling strength of suchmembers becomes significantly higher than that of normal strength steel columns.(5) A large number of columns with various s

19、ection dimensions and slendernesswere calculated by using the finite element model, including those fabricated fromvarious steel grades (i.e. 235MPa, 420MPa, 460MPa, 690MPa and 960MPa), and theoverall buckling strengths of totally 930 columns were obtained, which were comparedwith design values acco

20、rding to different steel structures specifications (i.e.GB50017-2003, Eurocode 3 and ANSI/AISC 360-10). As the results, relevant designcurves from current design codes for different grades of high strength steel columnswere suggested. Furthermore, new column curves were proposed by the nonlinearfitt

21、ing from numerical results, which were based on the expression form of columncurve formulae in both Chinese and European codes. For the convenience of applying inpractical engineering, a modification factor on the base of current design column curvesin the Chinese code was also proposed, as well as

22、its detailed calculation formula.Key words: high strength steel; residual stress; axial compression member;overall buckling; design method目 录IV目 录第 1 章 引言. 11.1 问题的提出. 11.2 选题背景及意义. 11.3 高强度钢材钢结构的工程应用. 31.3.1 高强度钢材钢结构的特点及优势 . 31.3.2 高强度钢材钢结构的工程应用现状 . 31.4 高强度钢材轴心受压构件整体稳定性能的研究现状. 61.4.1 高强度结构钢材的生产及分类

23、 . 61.4.2 材料的力学性能研究 . 81.4.3 构件的初始缺陷研究 . 91.4.4 受压钢柱整体稳定性能的试验研究 . 151.4.5 受压钢构件整体稳定理论与数值分析 . 171.4.6 国内外现行规范的设计方法 . 181.4.7 现有研究及设计方法的不足 . 201.5 本文的研究内容及方法. 22第 2 章 高强度钢材构件截面残余应力分布的试验研究. 242.1 420MPa 热轧等边角钢截面残余应力试验研究 . 242.1.1 试件设计 . 252.1.2 试验装置及测量方法 . 272.1.3 试验结果及分析 . 292.2 460MPa 钢材焊接截面残余应力试验研究

24、. 312.2.1 试件设计 . 312.2.2 试验装置及测量方法 . 342.2.3 试验结果及分析 . 362.3 960MPa 钢材焊接截面残余应力试验研究 . 472.3.1 试件设计 . 472.3.2 试验装置及测量方法 . 492.3.3 试验结果及分析 . 492.4 本章小结. 55目 录V第 3 章 高强度钢材构件截面残余应力的分布模型研究. 573.1 420MPa 热轧等边角钢截面的残余应力分布模型 . 573.1.1 分布模型的形状参数 . 573.1.2 分布模型的应力数值 . 583.1.3 分布模型与试验数据对比 . 603.2 460MPa 钢材焊接截面的残

25、余应力分布模型 . 623.2.1 分布模型的形状参数 . 643.2.2 分布模型的残余拉应力数值及分布范围 . 653.2.3 分布模型的残余压应力数值 . 673.3 高强度钢材焊接截面的残余应力统一分布模型. 733.3.1 分布模型的形状参数 . 733.3.2 分布模型的残余拉应力数值及分布范围 . 733.3.3 分布模型的残余压应力数值 . 763.4 本章小结. 80第 4 章 高强度钢材轴压构件整体稳定性能的试验研究. 814.1 420MPa 钢材热轧等边角钢轴压构件整体稳定性能的试验研究 . 814.1.1 试验方案 . 814.1.2 试验装置及测量内容 . 834.

26、1.3 试验结果及分析 . 864.2 460MPa 钢材焊接截面轴压构件整体稳定性能的试验研究 . 944.2.1 试验方案 . 944.2.2 试验装置及测量内容 . 964.2.3 试验结果及分析 . 994.3 960MPa 钢材焊接截面轴压构件整体稳定性能的试验研究 . 1024.3.1 试验方案 . 1034.3.2 试验装置及测量内容 . 1034.3.3 试验结果及分析 . 1054.4 本章小结. 108第 5 章 高强度钢材轴压构件整体稳定性能的有限元分析. 1095.1 有限元模型. 1095.2 有限元模型验证.1115.2.1 普通强度钢材轴压构件 .111目 录VI

27、5.2.2 420MPa 热轧等边角钢轴压试件.1135.2.3 460MPa 钢材焊接截面轴压试件.1155.2.4 690MPa 钢材焊接截面轴压试件.1185.2.5 960MPa 钢材焊接截面轴压试件.1195.3 轴压构件整体稳定性能的影响参数分析. 1225.3.1 构件几何初始缺陷的影响 . 1225.3.2 构件截面残余应力的影响 . 1265.3.3 钢材力学性能的影响 . 1315.4 本章小结. 136第 6 章 高强度钢材轴压构件整体稳定性能的设计方法. 1376.1 柱子曲线计算. 1376.1.1 算例参数 . 1376.1.2 计算结果 . 1396.2 现行规范

28、中柱子曲线的选择. 1416.2.1 420MPa 热轧等边角钢轴心受压构件. 1416.2.2 460MPa 钢材焊接截面轴心受压构件. 1436.2.3 690MPa 钢材焊接截面轴心受压构件. 1466.2.4 960MPa 钢材焊接截面轴心受压构件. 1486.3 更新柱子曲线. 1516.3.1 基于现行规范柱子曲线的公式形式 . 1516.3.2 高强度钢材焊接截面轴压构件统一设计方法 . 1536.4 本章小结. 156第 7 章 结论及展望. 1577.1 结论. 1577.2 展望. 159参考文献. 160致 谢. 166声 明. 167个人简历、在学期间发表的学术论文与研

29、究成果. 168主要符号对照表VII主要符号对照表A 截面面积、断后伸长率A0材性试件的原始横截面积Aeff截面有效面积Af翼缘板截面面积Ag毛截面面积Ai分割条带的横截面积Aw腹板截面面积B 工字形截面的翼缘宽度；十字形截面的宽度DT19 位移计E 钢材的弹性模量Et切线模量Fcr整体稳定屈曲应力H 截面高度I 截面惯性矩L 柱的长度L0柱的计算长度、标距Lt柱的铰接长度M0圆柱铰支座的临界弯矩N 柱的竖向荷载Ncr、Pe弹性屈曲临界力NEd设计轴压荷载NRd、Nb.Rd、Pn整体稳定设计承载力PFEA、PFEA.III整体稳定承载力的有限元分析结果Pu整体稳定承载力Qs无加劲肋板件的局部屈

30、曲折减系数RDT6、RDT7位移计读数T27J韧脆转变温度（冲击能量为 27J 时的温度）TMCP 热机械轧制Y/T 钢材的屈强比主要符号对照表VIIIa、b、c、d 翼缘板残余应力的分布范围b 箱形截面翼缘板在腹板之间的无支撑宽度；十字形截面板的自由外伸宽度；热轧等边角钢截面肢板的自由外伸宽度bf工字形截面翼缘的自由外伸宽度d0位移计测点的间距e 构件的总几何初始缺陷；翼缘板残余应力的分布范围e0b、e0t柱端的荷载偏心值f 钢材的强度设计值fu钢材的抗拉强度fy钢材的屈服强度h0腹板的计算高度hf角焊缝的焊脚尺寸i、ix、iy截面回转半径r 转动刚度、截面回转半径r1、r3分割法中手持应变

31、仪的读数ra热轧等边角钢截面的内圆弧半径t 板的厚度tf工字形截面翼缘板的厚度tw工字形截面腹板的厚度u、v 腹板的残余应力分布范围v01、v02、v03、v04热轧等边角钢柱的几何初弯曲v0、v1、v2、v3焊接截面柱的几何初弯曲w 热轧等边角钢截面宽度；腹板的残余应力分布范围w0分割法中条带的宽度rt1、rt3分割法中温度校正值 规范 Eurocode 中柱子曲线计算公式的系数、1、2、3柱子曲线计算公式的系数；待定参数 残余应力系数；整体稳定修正系数1、2、3残余应力系数M1构件稳定设计的抗力分项系数 分割条带的弯曲矢高 应变 修正应变主要符号对照表IX0佩利公式中的构件相对初弯曲st钢

32、材屈服平台末端的应变u钢材抗拉强度对应的极限应变y钢材的屈服应变 柱端转角0圆柱铰支座的临界转角、x长细比0计算长细比n、正则化长细比yz、uz换算长细比、K 柱的计算长度系数、Q 局部屈曲折减系数、r应力；残余应力0、1、2、3待定参数1、1.max热轧等边角钢截面的最大残余压应力2、2.max、3热轧等边角钢截面的最大残余拉应力cr、Fe弹性屈曲临界应力eff截面残余应力测量的不平衡应力fr翼缘的残余应力frc、frc14翼缘的最大残余压应力frc.c翼缘最大残余压应力的计算值frc.cs翼缘最大残余压应力的简化公式计算值frc.t翼缘最大残余压应力的试验值frt、frt1、frt2翼缘焊缝附近的最大残余拉应力frte、frte14翼缘焰切边处的最大残余拉应力rc、rc14箱形截面板件中部的残余压应力；十字形截面板件的残余压应力rc.c箱形截面板件中部残余压应力的计算值rc.cs箱形截面板件中部残余压应力的简化公式计算值rc.t箱形截面板件中部残余压应力的试验值ri分割条带对应位置处的残余应力rt、rt18箱形截面焊缝附近的最大残余拉应力wr腹板的残