高强度钢管截面受压设计的连续强度法
摘 要：本文旨在将基于变形的连续强度法(CSM)推广到高强度钢管受压截面的设计中。CSM采用一条基础曲线,将截面阻力与其变形能力联系起来,采用弹性线性硬化材料模型。研究了非细长圆形空心截面(CHS)、椭圆空心截面(EHS)、方形空心截面(SHS)和矩形空心截面(RHS)。屈服应力高达1405 MPa的热加工、冷成型和预制钢管段也包含其中,。为补充文献中关于高强钢短柱的有限试验结果,进行了大量的数值研究。由CSM获得了截面电阻,将直接强度法(DSM)和EN1993-1-5、EN1993-1-6、ANSI/AISC 360-10和AISI S 100的设计方法通过742根柱的试验和数值容量进行了比较。结果表明,与现有的DSM和设计规范相比,CSM方法能得到更准确、偏差更少的强度预测结果。
关键词：连续强度法 横截面电阻 高强钢 结构设计 管状截面
1 前言
高强度钢(HSS)理论屈服应力强度超过450 MPa,是一种经济、可持续发展的材料。高强度钢的应用可以减少结构的自重和降低建筑成本以及碳排放。钢管截面因其外形美观、力学性能优越而得到广泛应用[1]。因此,制定高强度钢管截面设计规程势在必行。
在设计规范和规范中,常规碳钢截面的设计有全面的设计规则,包括EN 1993-1-1[2],EN 1993-1-5[3],EN 1993-1-6[4],ANSI/AISC 360-10 [ 5 ],AISI S100 [ 6 ]和AS/NZS 4600 [ 7] 。在钢截面设计中,采用了基于截面内最细长组元的截面分类概念和有效宽度法[2,3,5–7]。 因此,不能考虑横截面内的元素相互作用。EN 1993-1-6[4]采用壳屈曲理论进行壳体设计。在设计规范[2-7]中,采用了不考虑应变硬化效应的弹性、完全塑性材料模型。因此,在不考虑单元相互作用和应变硬化的效应的程序设计方法往往会产生过于保守和截面容量预测偏差[8–16]。为了克服已有设计方法的固有缺陷,提出了一种基于变形的设计方法--连续强度法 (CSM)[8]。CSM采用弹性线性硬化材料模型,利用非细长钢截面的应变硬化进行强度增强。此外,CSM采用一条将截面变形能力与整体截面长细相联系的基本曲线来考虑单元间的相互作用。CSM是为使用普通强度碳钢[9-12]、不锈钢[12-15]和铝合金[12,16]设计而开发的。结果表明,与编程设计法相比,CSM方法对截面承载力的预测更加准确一致,设计效率也得到了提高。
本研究扩展了CSM在非细长、细长高强钢管截面受压设计中的应用范围。介绍和比较了目前的钢截面受压设计方法和CSM。建立了有限元模型,并对文献中的试验结果进行了验证。然后对高强钢管截面进行了广泛的参数化研究,以补充文献中关于高强钢管桩柱的有限试验结果。研究了非细长圆形空心截面(CHS)、椭圆空心截面(EHS)、方形空心截面(SHS)和矩形空心截面(RHS),包括热加工、冷成型和预制钢管段。根据文献中的试验结果整理出的截面电阻值,并从本文进行的数值研究中得到的截面电阻值来评估现有的设计方法,并提出了针对高强钢管截面的CSM。
2 .现有的碳素钢截面设计方法：
EN 1993-1-5[3]、ANSI/AISC 360-10[5]、AISI S 100[6]和AS/NZS 4600[7]采用截面分类的概念和有效宽度法设计普通强度碳素钢截面。在设计规范[2,3,5-7]中,对压缩件规定了最大宽厚比,即屈服长细限,将截面划分为非细长截面和细长截面。 屈服长细极限反映了钢材料性能(屈服应力和弹性模量)、边支的影响附加条件(加筋或不加筋),以及施加应力场的形状(应力比)对截面内单元局部屈曲敏感性的影响程度。对于压缩中的横截面,,横截面各组成元素的宽厚比均在屈服长细限之内,则将其分为第1-3类或没有细长单元的横截面。否则,截面应视为第4类的截面或具有细长元件的截面。非细长截面的破坏通常是由材料屈服和/或非弹性破坏引起的。 因此,由于应变硬化,相应的截面阻力可以超过截面屈服荷载,即总截面面积乘以钢屈服应力。然而,在设计规范[3-7]中,采用了一种不考虑应变硬化效应的弹性、完全塑性材料模型。第4级或细长的横截面由于局部屈曲,截面内的平均应力达到了钢的屈服应力。EN 1993-1-5[3]中规定的1-3级和4级截面的理论强度由方程(1)确定。EN 1993-1-6[4]采用壳屈曲理论确定壳体(如CHS构件)的应力。在压应实验[4]中,相应的理论电阻可以从方程(2)中得到。ANSI/AISC 360-10[5]和AISI S 100[6]截面在屈服或局部屈曲作用下的理论抗压强度可以各自用方程组(3)(4)计算。其中A为总截面积,Ae 为有效宽度法确定的有效截面面积, fy 为钢屈服应力, lambda;l 为板单元长细,psi;为应力比。 chi;是壳体相对长细所决定的屈曲折减因子,Q是与有效截面面积有关的折减因子,对于横截面等于1.0无细长单元的截面,fe 是ANSI/AISC 360-10[5]E3段规定的弹性屈曲应力,fn是根据AISI S1截面E2确定的整体柱应力。值得注意的是,AISI S 100[6]和AS/NZS 4600[7]对受压冷弯型钢采用相同的设计公式,因此,AS/NZS 4600[7]不包括在第8节的比较研究中。直接强度法(DSM)是Schafer 和Pekouml;z [17,18]提出的。基于强度的需求侧管理将横截面容量确定为 由下列方法定义的整个横截面长细(lambda;p)的函数：其中fy为钢屈服应力,A为总截面面积,lambda;p为总截面长细。需要注意的是,DSM还采用了弹性的、完全塑性的材料模型。因而不考虑应变硬化的有利影响。
DSM与有效宽度法相比,可以考虑截面内单元相互作用的有利影响,提高复杂几何形状细长截面和应力梯度组合细长截面的设计效率。DSM目前被纳入AISI S 100[6]。受局部屈曲的横截面的DSM理论抗压强度可从以下几个方面获得：3.连续强度法
-
- 概论
连续强度法(CSM)最初由Gardner和Nethercot[8]提出,用于不锈钢非细长截面的设计。CSM是为使用普通强度碳钢、不锈钢和铝合金[8-16]的截面设计而开发的。截面变形能力与整体截面长细的基本曲线和弹性线性硬化材料模型是CSM的两个关键组成部分。因此,CSM 与现有的设计方法相比,该方法具有两个主要优点：合理利用应变硬化和适当考虑截面内的单元相互作用。
-
- 基线
CSM基曲线将最大应变(εCSM)与方程(5)定义的总截面长细(lambda;p)联系起来。
-
- 非细长截面和细长截面的基本曲线 在压应实验中使用不锈钢[15]和铝合金[16]如下：εCSM为CSM极限应变,εy为屈服应变,等于fy/E,FY为钢屈服应力,E为钢弹性模量,εu是极限应力下的极限应变,delta;u是极限荷载作用下的端部缩短。 L为柱长,lambda;p为总截面长细,C1是用来定义切断应变的系数,以避免对材料应力的过度预测。 Nu是短柱的极限荷载,Ny是等于fyA的屈服荷载。应该注意的是,对于具有圆形材料特性的钢材料(例如不锈钢和铝合金),CSM极限应变(εCSM)为εCSM=delta;u/L-0。002,而对于具有明确规定屈服点的材料(如热轧型钢),为了以便与采用的弹性线性硬化材料模型兼容[12]则为CSM极限应变为εCSM=delta;u/L。 CSM极限应变(εCSM)有两个上限(15εy和C1εu)。(7)来避免非细长截面的过度塑性应变和材料断裂。同样,Liew和Gardner[10]和Theofanous l等人[11]通过了方程(7)分别确定非细长法向强度碳钢截面在室温和高温区设计的基本曲线。值得注意的是,提出的基本曲线方程(7)(8)主要用于SHS和RHS的设计。Buchanan等人提出的基曲线[12]对于采用不锈钢、铝合金、屈服应力在1350 MP左右的高强碳素钢进行非细长CHS和细长CHS的设计。1350 MP左右的高强碳素钢和普通强度碳钢的定义如下：材料模型
CSM采用弹性、线性应变硬化材料模型,而不是设计规范[2-7]和DSM[17,18]中采用的弹性、完全塑性材料模型。CSM限制 钢截面受压时的应力(FCSM)确定如下[8-16]：其中Esh是由以下定义的应变硬化模量：
其中C2是确定应变硬化斜率的系数,fu是极限应力,εu是极限应力下的极限应变,可从以下几个方面得到：Buchanan等人提出的C1、C2、C3和C4值[12]见表1。
表1
CSM线性材料模型的系数 (Buchanan 等人 [12])。
|
钢材型号 |
C1 |
C2 |
C3 |
C4 |
|
高强钢 |
0.4 |
0.45 |
0.6 |
0 |
|
冷弯型钢 |
0.4 |
0.45 |
0.6 |
0 |
|
奥氏体双相不锈钢 |
0.1 |
0.16 |
1 |
0 |
|
铁素体不锈钢 |
0.4 |
0.45 |
0.6 |
0 |
|
铝 |
0.5 |
0.5 |
0.13 |
0.06 |
表2
CHS短柱的试验研究.
|
参数 |
fy (MPa) |
制造方法 |
lambda;p |
实验场数 |
|
Ma 等人 [21] |
1014–1180 |
冷弯型钢 |
0.31–0.40 |
9 |
|
Ren 等人 [22] |
389 |
冷弯型钢 |
0.3 |
2 |
|
Wei 等人 [23] |
740 |
冷弯型钢 |
0.27–0.48 |
24 |
|
Giakoumelis 和 Lam [24] |
343, 365 |
热轧型钢 |
0.18, 0.20 |
2 |
|
Sakino 等人 [25] |
283–835 |
冷弯型钢 |
0.23–0.43 |
9 |
|
Elchalakani 等人 [26] |
357–454 |
冷弯型钢 |
0.20–0.30 |
8 |
|
Jiao and Zhao [27] |
433–1398 |
冷弯型钢 |
0.21–0.52 |
10 |
|
Zhao [28] |
1341–1405 |
冷弯型钢 |
0.30–0.37 |
12 |
|
Wei 等人 [29] |
216–524 |
冷弯型钢 |
0.23–0.55 |
39 |
|
合计 |
115 |
-
- 横截面电阻
非细长截面和细长截面压缩截面(NCSM)的CSM容量可以分别用方程(15)(16)来确定[8-16]：4.试验总结
对115个CHS[21-29]、39 EHS[30-3
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