1、第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:李成玉()男湖北麻城人博士教授研究方向为钢结构抗震损伤控制(:.)通讯作者:何 波()男广西桂林人博士高级工程师研究方向为建设项目管理与结构分析(:.)基金项目:国家自然科学基金()地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能李成玉 郑镁杰 何 波 朱爱珠(.武汉科技大学.城市建设学院.城市更新湖北省工程研究中心 湖北 武汉.武汉城市铁路建设投资开发有限责任公司 湖北 武汉.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉)摘 要:为研究热轧 型钢柱在不同轴压比和截面宽厚比下的抗震局部稳定性能设计制作了 个热轧 型钢柱试件采用试
2、验和有限元分析软件对试件进行低周往复加载分析各试件的滞回性能、强度退化、轴向缩短、截面变形程度、塑性铰长度等性能 结果表明:轴压比和截面宽厚比对试件的局部稳定性能影响较大增大轴压比或翼缘宽厚比和腹板高厚比试件的滞回曲线退化更明显、更早出现局部屈曲强度退化速率更快轴向缩短量、塑性铰截面变形程度以及塑性铰长度增大轴压比对截面塑性发展的影响较小翼缘宽厚比和腹板高厚比较小的试件截面塑性发展更加充分关键词:热轧 型钢柱 拟静力试验 强度退化 轴向缩短 塑性铰长度中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:为了城乡建设领域双碳目标的如期实现住建部制定了“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划明确提出大
3、力发展钢结构 与混凝土框架结构一样钢框架结构在抗震设计时也需要 第 期李成玉等:地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能遵守“强柱弱梁”准则 为发挥钢结构材料强度高塑性好的特点当柱轴压比不大于.时可不进行“强柱弱梁”验算这意味着在地震作用时无论是梁端或柱端都可能形成塑性铰 此外由于钢材强度、楼板复合作用的不确定性以及地震作用的随机性等因素的影响即使是按规范规定进行了“强柱弱梁”验算柱端塑性铰也难以避免 柱是框架结构的主要构件在地震作用下柱端形成塑性铰时也可能引起屈曲变形当屈曲变形过大时柱的传力路径发生改变使得刚度和强度降低导致结构产生过大的残余变形甚至引起侧向倒塌或者竖向倒塌 随机地震作用下钢柱承受
4、较大的水平位移和较高的轴压具有不同的响应和抗震局部稳定性能影响着结构的整体抗震性能 因此有必要对地震作用下钢框架柱的局部稳定性能进行系统性研究定量评价钢柱的滞回性能、屈曲变形、轴向缩短、截面塑性发展及塑性铰长度等特性从而为选择合理的柱截面以及后期构件的加固提供科学依据对于降低地震作用下的建筑损害以及经济损失具有重大的意义 形截面钢柱由于其良好的连接性能便于应用于各种形式的钢框架结构中国内外学者对 型钢进行了大量研究 等对深宽翼缘截面 型钢柱在不同横向载荷和恒定轴压比下进行试验以及有限元数值模拟结果表明不同横向荷载和板件宽厚比对钢柱循环性能有显著影响 在此基础上 等通过有限元模拟对低周往复荷载作
5、用下的深宽翼缘截面 型钢柱进行了研究表明轴压比和截面宽厚比增大钢柱的循环性能、强度退化以及轴向缩短等性能都有所下降 依据 钢结构设计标准构件的承载力和塑性变形需求可通过选用合适的截面来保证 宁克洋等研究了轴压比、翼缘宽厚比和腹板宽厚比对不锈钢焊接 形截面柱在循环加载作用下滞回性能的影响 陈以一等对压弯作用下薄柔 形截面的抗震性能进行研究结果显示板件宽厚比对钢柱的强度以及刚度退化都有较大影响 国内外的研究主要集中在 型钢柱滞回性能、轴向缩短等方面而我国地震频发对于应用广泛的热轧 型钢柱针对不同轴压比和宽厚比下的 型钢柱屈曲变形、轴向缩短、塑性发展情况、塑性铰长度等抗震局部稳定性能研究较少只能参照
6、国外 型钢柱的性能指标进行选择 故为了在设计和加固中更加准确地选择合适的构件必须对热轧 型钢柱的抗震局部稳定性能进行定性和定量分析基于抗震性能化设计为了进一步量化研究热轧 型钢柱的抗震局部稳定性能通过试验与有限元模拟分析了钢柱在不同轴压比下的柱端屈曲变形、滞回性能、轴向缩短、塑性发展情况、截面变形情况和塑性铰长度等 试验概况.试件设计试验各试件的设计参数如表 所示各试件的高度均为 试件选取三种不同宽厚比的截面()三种不同的轴压比(.)试件命名为“”其中“”表示试件的截面型号“”表示试件的轴压比表 试件设计参数试件编号截面尺寸/轴压.表 中 为钢柱截面面积 为钢柱实际屈服强度截面的翼缘宽厚比 和
7、腹板高厚比 考虑截面屈服强度 的影响()/()/其中(/)/型钢柱截面如图 所示(图中:分别为截面的宽度和高度分别为腹板的厚度和翼缘的厚度)t2t1BH图 型钢截面.材性试验 型钢各试件按照/金属材料室温拉伸试验方法的相关规定对 型钢的翼缘和腹板进行材性试验结果见表.试验装置该试验装置采用建研式加载装置试验现场装置和试验装置示意如图 所示 柱两端底板分别与 形梁、底座通过高强度螺栓固接 竖向荷载由液压千斤顶施加通过水平 形梁传递到 土木工程与管理学报 年柱顶水平荷载通过作动器进行施加作动器推动 形梁带动柱顶一起运动四连杆限制水平 形梁的转动使 形梁保持水平运动表 试件材性参数试样位置厚度/屈服
8、强度/抗拉强度/伸长率/翼缘 腹板.翼缘 腹板 翼缘 腹板图 试验装置?L?图 试验装置示意?3?1,2?4图 试件位移计布置 试验中试件上布置的位移计和应变片如图 所示 位移计 竖向布置在柱顶前后两侧用来监测试件在试验过程中的轴向缩短位移计 横向布置在试件柱顶和柱中用来监测试件的水平位移.试验加载方案试验采用液压伺服系统以控制层间位移角的方式施加低周往复荷载加载方案参考美国 抗震规范的规定加载制度如图 所示前三级加载均循环 个周期第四级加载循环 个周期之后每级加载循环 个周期加载至 或试件严重屈曲破坏时停止加载 正式试验前对试件进行预加载检查各仪器仪表是否正常-8-6-4-202468?/%
9、rad?6664222220.3750.50.7511.523456?2图 加载制度 试验结果与分析钢框架结构中为了评价试件的抗震性能给出了不同的最大层间位移角限值对应于不同的性能水平即立即使用()对应的最大层间位移角限值为 生命安全()对应的最大层间位移角限值为 防止倒塌()对应的最大层间位移角限值为 其中构件在 下的建筑震后可修复 对应于“大震”的层间位移角保证在“大震”下不发生危及生命的严重破坏框架结构中任意一层的层间位移角大于 可以认为结构发生倒塌 故主要针对 三个层间位移转角限值对各试件的抗震局部稳定性能进行分析.试验现象各试 件 的 试 验 现 象 基 本 相 似 以 试 件 为例
10、如图 所示 在加载至 时翼缘先出现局部屈曲一侧呈现内凹另一侧呈现外凸随后加载至 时腹板发生局部屈曲翼缘屈曲加剧 其他试件试验结束后的破坏情况如图 所示其中试件 在试验过程中液压千斤顶出现故障试件加载至 第一循环时试验结束其他试件加载至 第 期李成玉等:地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能(a)?(b)2%rad(c)3%rad(d)4%rad(e)5%rad(f)6%rad(g)?图 试件 或试件严重屈曲破坏时停止加载 由图 可知在试验过程中试件局部屈曲最大处的位置基本保持不变 在柱顶或柱底同一面两侧翼缘的内凹变形总是伴随着腹板的内凹屈曲变形如图 中试件的柱底变形翼缘向内屈曲腹板也向平面内屈曲但
11、翼缘和腹板的内凹屈曲变形出现在哪一面随机发生(b)?(c)?(a)?(a)?(c)?(b)?图 试件 图 试件 表 中分别列出了各试件试验过程中翼缘和腹板出现屈曲变形时的位移转角 各试件在 下柱端均未发生屈曲变形 试件 在 下柱端未出现屈曲变形但截面 和和轴压比较大的其他 个试件翼缘均出现局部屈曲甚至试件 翼缘和腹板均发生屈曲变形 各试件在 下柱端均出现明显的局部屈曲严重影响钢柱的抗震局部稳定性能除了试件 在加载 时腹板才开始出现屈曲其他试件在加载至 时翼缘和腹板均发生严重的屈曲变形故 下截面(a)?(b)?(c)?(a)?(b)?(c)?图 试件 图 试件 和 或轴压比较大的试件屈曲变形严重
12、试件局部失稳从表 中可以看出轴压比大的试件翼缘和腹板出现屈曲变形时的位移转角更小 试件 翼缘和腹板开始出现屈曲变形时的位移转角较试件 翼缘和腹板出现屈曲变形的位移转角更小相同轴压比下截面 和 较大的试件其翼缘和腹板出现屈曲变形时的位移转角较小如试件 的 和 比试件 的大试件 翼缘和腹板出现屈曲变形时的位移转角较试件 小如图 试件屈曲变形最大处所示以 为例柱底翼缘外凸变形最大处为 点内凹变形最大处为 点 腹板外凸变形最大处为 点柱顶翼缘外凸变形最大处为 点内凹变形最大处为 点腹板外凸变形最大处为 点 试验结束时、点到柱底的距离与截面高度 的比值、点到柱顶的距离与截面高度 的比值见表 各试件柱底点
13、和点的高度相似 均为 土木工程与管理学报 年表 试件出现屈曲变形的位移转角试件编号翼缘开始屈曲时位移转角腹板开始屈曲时位移转角.第 级()第二循环第 级()第二循环.第 级()第一循环第 级()第二循环.第 级()第一循环第 级()第二循环.第 级()第一循环第 级()第一循环.第 级()第一循环第 级()第二循环表 试件屈曲变形高度试件编号点到柱底距离与 比值点到柱顶距离与 比值.4003002001000100200300400-4003002001000100200300400-4003002001000100200300400-6-4-20246-6-4-20246-6-4-20246
14、?/kN/%rad?/kN?/kN/%rad/%rad4003002001000100200300400-4003002001000100200300400-6-4-20246-6-4-20246?/kN?/kN/%rad/%rad(a)HW175-20(b)HW175-35(c)HW250-35(d)HW250-50(e)HM300-20图 试件滞回曲线图 试件 屈曲变形最大处示意.点的高度为.同时各试件的柱底屈曲变形最大处的高度略大于柱顶屈曲变形最大处的高度 这是由于在柱顶施加荷载导致其与柱底柔度不同.试验结果分析.滞回曲线各试件的滞回曲线如图 所示均呈梭形正负向对称良好在相同的加载级次下
15、承载力没有明显退化 对比试件、以及试件、的滞回曲线可以看出随着轴压比的增大试件的极限承载力随之减小 试件的水平承载力退化更加明显 对比试件、以 及 试 件、的滞回曲线可以看出相同轴压比下截面 和 小的试件滞回曲线更加饱满滞回性能更好 第 期李成玉等:地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能.骨架曲线各试件骨架曲线的屈服点、峰值点和失效点利用.法进行计算如图 所示 图 给出了 个试件的骨架曲线试件在试验中均经历了弹性、弹塑性、塑性破坏三个阶段 各试件的屈服点、峰值点和失效点标注在曲线上对应的屈服转角、峰值转角、失效(承载力为极限承载力的 时)转角 见表?Vmax0.85Vmax?/kNfu/%radm
16、ax0图 .法示意3002502001501005012345612345630025020015010050?/kN/%rad?HW175-20HW175-35HW250-35HW250-50/%rad()75aW1(bW)25000?/kN图 相同截面不同轴压比骨架曲线对比3002502001501005030025020015010050123456/%rad(a0.2)?=n123456/%rad(a0.35)?=nHW175-35HW250-35HW175-20HM300-20?/kN?/kN?00图 相同轴压比不同截面骨架曲线对比 由图 可知在 时各试件的承载力均处于强化阶段 未出
17、现承载力退化 除了表 试件初始刚度与延性系数试件编号/初始刚度/的累计耗能/.截面 的试件截面为 和 的试件 都小于 在加载至 时试件承载力均开始退化构件开始失稳 截面为 的两个试件在 时承载力才开始出现退化具有良好的承载性能而试件 和 在 时水平承载力已经下降到极限承载力的 以下钢柱丧失承载能力易发生失稳导致结构倒塌故仅有截面为 的试件在防止倒塌的层间位移角()下能保持良好的承载能力具有较好的抗震稳定性能由图 和表 可知相同截面下不同轴压比的试件几乎在相同位移转角下达到屈服和极限承载力高轴压比下的试件极限承载力更低强度退化的速率更快更小且极限承载力的降低百分比与轴压比的增加百分比相似 如试件
18、 相较于试件 轴压比增加了.试件极限承载力下降了约.试件 的 为.试件 的为.由图 和表 可知截面 和更大的试件强度退化速率更快屈服、极限和失效转角也更小对比表 中试件出现局部屈曲时的位移转角可知 截面的试件在翼缘出现局部屈曲之后水平承载力还有所增加而 和 截面的试件在翼缘出现局部屈曲后水平承载力快速下降说明截面 和 较小的试件在出现局部屈曲后水平承载力变化不明显仍能保持良好的承载能力12345605101520HW175-20HW175-35HW250-35HW250-50HM300-20/%rad/.m.rad-1k图 试件刚度退化.刚度退化各试件每级的等效刚度可由割线刚度计算刚度退化曲线
19、如图 所示各试件初始刚度见表 土木工程与管理学报 年 试件 的初始刚度较试件 降低了.试件 的初始刚度较试件 降低了.对于相同截面的试件轴压比较大的试件的初始刚度较低且轴压比大的试件刚度退化更迅速 对比试件、和试件、在相同轴压比下截面尺寸较大的试件初始刚度较大且刚度退化速度更快.延性试件的延性用转角延性系数 表示各试件的转角延性系数见表 转角延性系数为试件的失效转角 与屈服转角 的比值 由于试件 在试验结束时还没有出现明显的承载力下降故可以看出延性较好 试件 的延性系数较试件 减小了.截面相同的情况下轴压比较大的试件延性较差 对比试件、和 较小的试件延性更好 试件 的延性系数最大达到.这是由于
20、试件在较小轴压比下强度退化较缓慢故其延性系数比其他试件大123456020406080HW175-20HW175-35HW250-35HW250-50HM300-20E/.m.radk/%rad图 试件耗能.耗能能力取各试件每级加载第一循环的滞回曲线所围成的面积为试件各级的循环耗能各试件加载循环耗能曲线如图 所示所有试件都完成了 的加载故列出各试件加载至 时的累计耗能进行对比分析 时的累计耗能见表 由 图 可 知 在.之 前 除 试 件 外各试件之间的耗能能力相近 随着加载的进行各试件每级的循环耗能差距变大对 比、和、耗能曲线相同截面下轴压比小的试件每级的循环耗能更大 的累计耗能更多 对 比、
21、和、相同轴压比下截面尺寸大的试件各级循环耗能更多 之前的累计耗能量也更大.轴向缩短轴向缩短量随着位移转角的累计变化情况如图 所示/表示轴向缩短量与柱高的比值其中 为试件的轴向缩短量 为试件的柱高 表示累计位移转角 根据轴向缩短量与累计位移转角图可以看出各试件的轴向缩短随着位移转角的加载逐步增加且在曲线标记处开始显著增加图中标注出了对应于各加载级结束时的累计位移转角00.51.01.52.02.51%rad1.5%rad2%rad3%rad4%rad1%rad1.5%rad2%rad3%rad4%rad00.51.01.52.02.53.0-()/L/%00.51.01.52.02.53.0-(
22、)/L/%/rad00.51.01.52.02.5/radHW175-20HW175-35HW250-35HW250-50(a)HW175(a)HW250图 相同截面不同轴压比轴向缩短对比1%rad1.5%rad2%rad3%rad4%rad1%rad1.5%rad2%rad3%rad4%rad00.51.01.52.02.53.0-()/L/%00.51.01.52.02.5/rad00.51.01.52.02.5/rad(a)?n=0.2(b)=0.35?n00.51.01.52.02.53.0-()/L/%HW175-20HM300-20HW175-35HW250-35图 相同轴压比不同
23、截面轴向缩短对比如图 所示各试件在试验初始阶段均因为轴压产生轻微的轴向缩短 在循环加载至 结束(.)时各试件的轴向缩短量均小于.且增加缓慢试件稳定性良好 这部分的轴向缩短是因为水平位移的施加钢柱倾斜引起空间几何上的轴向缩短呈线性增加 在 下除了试件 以外其他试件的轴向缩短均开始显著增加轴向缩短曲线呈快速增加状态试件此时除由钢柱倾斜引起的沿初始曲线线性增加的部分其他部分的轴向缩短由柱端屈曲变形产生试件轴向缩短显著增加表明试件发生屈曲变形局部失稳 在 时试件的轴向缩短曲线均处于快速增加阶段试件出现局部失稳各试件均出现很大的轴向缩短较大的轴向缩短易导致框架结构的倒塌故试件的抗震稳定性能较差如图 所示
24、轴压比较大或截面 和较大的试件轴向缩短量开始显著增加时的累计位移转角较小试件在较小的位移转角下进入 第 期李成玉等:地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能局部失稳状态轴向缩短增加速率更快 如图 和图 试件 加载至 时轴向缩短开始显著增加而试件 和试件 加载至 时轴向缩短开始显著增加对比表 中试件发生局部屈曲时的位移转角可知试件出现局部屈曲时的位移转角均小于轴向缩短开始显著增加的位移转角这是因为人为能观察到的已经是较为明显的屈曲变形轴向缩短的显著增大更能精确地显示试件屈曲变形即局部失稳时的层间位移转角 有限元模拟分析.建模概况利用 建立有限元模型构件均采用实体单元 模型网格选用结构划分法并在截面方向
25、上进行加密 柱底完全固定()柱顶约束()面内位移 用于施加横向加载位移 型钢柱模型如图 所示 钢材本构参数根据表 中材性试验的数据进行设置 在柱顶施加相应的恒定轴向压缩荷载水平位移荷载的施加方案与试验一致采用控制层间位移角的方式在柱顶处施加低周往复荷载加载制度如图 所示在有限元模型中引入几何缺陷以触发截面的局部和整体不稳定性 通过缩放和叠加不同的屈曲模式将这些缺陷引入到有限元模型中 根据/热轧 型钢和部分 型钢中对 型钢尺寸、外形允许的偏差模型采用两种类型的几何缺陷:()制造过程中的腹板弯曲和翼缘弯曲缺陷(见图)()整体弯曲度缺陷等于/在建模过程中同时考虑残余应力(见图)(b)?(a)?(c)
26、?5xyzUR Ryz=0=0yURRxz=0=0UUR=yzxyB/300H/1500.15fy0.3fy0.073fy图 有限元模型及参数.模型验证为验证本文有限元建模方法的有效性选取 的试验数据进行验证 图 显示了对应的数值模拟结果试验的极限承载力为.有限元模拟的极限承载力为.误差为.有限元模拟和试验的轴向缩短曲线在循环加载至 之前曲线基本一致随着加载的继续差距增大误差是由于有限元施加的初始几何缺陷略大导致有限元模拟的极限承载略小于试验且水平承载力先开始出现退化有限元模型更容易触发整体不稳定性其轴向缩短略大整体看来有限元结果可以很好地模拟试验情况数值模拟曲线和试验曲线较好吻合(a)?(?
27、b)-6-4-20246HW175-35-?-HW175-35-?00.51.01.52.02.5S,Mises(Avg:75%)1.118101.0259.3278.4037.4786.5545.6294.7053.7802.8561.9311.0078.1983101010101010101010101032222222222?/kN5004003002001000100200300400-(?c)/%rad00.51.01.52.02.53.0-/radHW175-35-?HW175-35-?()/L/%图 试验与模拟结果对比.截面塑性发展根据有限元模拟的结果提取在各试件失效(等效荷载降
28、至极限承载力的)时柱端塑性铰处截面的应力情况分别以材料本构的屈服应力和极限应力为限值来分析截面的塑性发展情况截面的塑性发展越充分说明试件塑性强度利用率越高 有限元结果中柱底和柱顶的应力表现相同故取柱底的应力云图进行讨论图 分别为试件 的屈服应力限值与极限应力限值云图 如图钢柱在失效时的柱底应力云图以屈服应力为限值图中灰色部分表示为超出限值的部分即截 土木工程与管理学报 年面达到屈服区域由图 钢柱在失效时的柱底应力云图以极限应力为限值图中灰色部分表示为超出极限应力的部分即截面塑性完全发展区域由图 可知不同轴压比下相同截面的试件 塑 性 铰 处 的 截 面 发 展 情 况 相 似 试 件 和试件
29、在失效时塑性铰区域的塑性发展情况相似截面完全屈服且腹板全部充分发展翼缘大部分区域得到充分发展 由图 可知截面不同对试件塑性发展情况影响显著截面 和 较大的试件截面达到极限应力的区域更小塑性铰处的塑性发展更不充分试件强度利用率较低 相较于试件 试件 在失效时塑性铰区域的截面完全屈服且腹板全部充分发展翼缘小部分区域充分发展(a)?(b)?(b)?(a)?(b)?(a)?图 试件 图 试件 图 试件.塑性铰截面变形由表 可知柱底塑性铰区域翼缘外凸屈曲变形和腹板内凹变形最大处的位置为距离柱底约.处故从有限元结果中截取各个试件距离柱底.处的截面变形情况进行研究 各 试 件 的 截 面 变 形 情 况 相
30、 似 以 试 件 为例各加载级第一循环结束位移归零时塑性铰截面变形如图 所示 由图 可以看出各个转角下试件 截面的变形均呈对称分布在加载至 时截面处并未发生塑性变形在 时可以观察到翼缘出现明显的屈曲变形随着加载的继续腹板在 下开始出现屈曲变形翼缘部分变形加剧 由图 可知截面早期出现塑性变形时腹板两侧的翼缘均呈现向外的屈曲变形 随着加载其他(f)5%rad(g)6%rad(d)3%rad(e)4%rad(a)1%rad(b)1.5%rad(c)2%rad图 试件 截面变形截面也产生屈曲变形相互影响下腹板两侧的翼缘变形一侧向内一侧向外为量化各试件在不同转角下的屈曲变形程度如图 所示取翼缘向外变形边
31、缘点、翼缘向内变形边缘点、腹板中心变形点的变形大小分别表示为 各试件的变形曲线如图 所示f1f2w图 示意由图 可知所有试件腹板出现屈曲变形的转角均小于翼缘出现屈曲时的转角同时试件在前期加载时、的曲线几乎重合说明腹板两侧翼缘均向外屈曲随着加载一侧翼缘向内屈曲一侧翼缘向外屈曲 在加载至 时除试件 外塑性铰截面均未出现变形加载至 时除 截面试件其他试件均出现明显的变形钢柱进入失稳状态且其翼缘的变形值均超过 钢柱修复较为困难加载至 时除试件 外各试件均出现较大的变形钢柱不可修复 对比可知在同一位移转角下轴压比较大或截面 和 较大的试件的变形量较大 第 期李成玉等:地震作用下 型钢框架柱局部稳定性能0
32、123456/mm10080604020020406080100-10080604020020406080100-/mm10080604020020406080100-/mm/%rad01234560123456/%rad/%rad(a)HW175-20(b)HW175-35(c)HW250-3510080604020020406080100-10080604020020406080100-/mm/mm01234560123456/%rad/%rad(d)HW250-50(e)HM300-20wf2f1wf2f1wf2f1wf2f1wf2f1图 试件变形曲线.塑性铰长度塑性铰区域内的塑性变形可
33、以吸收和耗散地震输入的能量减轻地震对结构造成的破坏因此塑性铰的长度大小能在一定程度上反应试件的延性及耗能能力衡量试件的抗震性能 塑性铰的长度一定程度上代表试件发生屈曲变形的长度即试件局部失稳的范围量化分析试件的塑性铰长度对钢柱的后续加固等研究有积极影响根据有限元模拟结果对各试件沿钢柱高度方向在截面翼缘和腹板交界处提取等效塑性应变 曲线如图 所示试件 失效时从柱底(即 处)到柱中(即 处)的 曲线 塑性铰长度定义为从柱底到零塑性应变横截面的距离 各试件在极限承载力时塑性铰长度 和失效时的塑性铰长度 与试件截面高度 的比值见表 5001000PEEQ?mm/HW175-20l=237.110.05
34、0.040.030.020.010图 试件 失效时的 曲线对比试件、和 试 件、可以看出轴压比较大或截面 和 大的试件 和 均更长钢柱局部屈曲的范围更大表 试件塑性铰长度试件编号/(/)/.各试件到达极限承载力后随着加载的继续试件的塑性铰长度随之增加 各试件在达到极限承载力时的塑性铰长度在.范围内失效时的塑性铰长度在.范围内 由表 可知试件 和试件 的 较 均增大了约 试件 和试件 的 较 均增大了约 试件 的 较 增大了约 故可以看出在不同轴压比下相同截面的试件随着加载的继续塑性铰长度的增加比例相同且 和 更小的截面在达到极限承载力后加载至失效时塑性铰长度增加得更多试件 的 和 较试件均增大
35、了约 试件 的 和 较试件 均增大了约 可以看出在相同截面下轴压比增大试件的 和 均会增加且增加的比例相同当增加相同的轴压比时和 小的截面 和 增加比例更大 结 论本文通过试验和有限元分析对 个 型钢柱的抗震稳定性能进行了分析主要得到以下结论:()试验过程中各试件在加载至 时 土木工程与管理学报 年未出现局部屈曲除试件 外其他试件在 时柱端均出现局部屈曲腹板局部屈曲的发生总是晚于翼缘除截面 试件外翼缘变形均超过 加载至 时各试件的柱顶和柱底处均出现明显的屈曲变形柱底处翼缘外凸和腹板变形最大处的高度保持为.翼缘内凹变形最大处的高度为.()各 型钢柱试件在加载至 时水平承载力都处于强化阶段轴向缩短
36、未显著增大加载至 时除 截面的试件外其他试件的水平承载力均开始出现退化翼缘部分均出现较大变形轴向缩短除试件外均开始显著增加钢柱出现局部失稳加载至 时 截面的试件均丧失承载能力同时各试件均出现较大的轴向缩短结构易发生失稳()截面 和 对钢柱的局部稳定性能影响较大 在相同的轴压比下截面 和 较大的试件在更小的位移转角下开始出现屈曲变形、承载力退化、轴向缩短显著增加等现象即试件局部失稳同时水平承载力退化速率和轴向缩短增加速率更快试件失效时的截面塑性发展更不充分塑性铰长度更长钢柱局部失稳范围更大()较高的轴压比对钢柱的局部稳定具有不利的影响 在相同截面下轴压比较大的试件在更小的位移转角时出现局部失稳同
37、时强度退化速率和轴向缩短速率更快失效时的塑性铰长度更长()截面 和 小于 的试件较少大多数热轧 形截面钢柱的抗震稳定性能较差应在此研究基础上采取措施来避免钢柱和结构出现失稳参考文献 中华人民共和国住房和城乡建设部.住房和城乡建设部关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知/.().:/./.中华人民共和国住房和城乡建设部 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:.北京:中国建筑工业出版社.李成玉 李冬奎 柏入宁 等.基于体系能力设计法的设置连续柱钢框架结构抗震性能研究.建筑钢结构进展 ():.():.:/:.():.中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计标准:.北京:中国建筑工业出版社.宁克洋 杨 璐 班慧勇 等.不锈钢焊接 形截面柱滞回性能试验研究.建筑结构学报():.陈以一 周 锋 陈 城.宽肢薄腹 形截面钢柱的滞回性能.世界地震工程 ():.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.热轧 型钢和剖分 型钢:/.北京:中国标准出版社.():.中华人民共和国国家市场监督管理总局 中国国家标准化管理委员会.金属材料 拉伸试验 第 部分:室温试验方法:/.北京:中国标准出版社./.:.:.:.():.():.
