考虑局部稳定的铝合金构件及板件的承载力研究

摘要

作为一种新型建筑结构材料，铝合金具有重量轻、耐腐蚀、易于维护、施工方便等优点，能够适应现代工程结构向大跨和轻质方向发展以及承受恶劣条件的需要。国内对铝合金结构的研究已经开始，相关规范的制订也正在进行，这些工作将极大地促进铝合金结构在中国的推广应用。 本文依托国家建设部《铝合金结构设计规范》编制项目和山东省建设厅《钢结构建筑节能体系及铝镁锰合金墙板技术研究》科研项目，对易于发生局部屈曲的薄壁铝合金轴压构件、铝合金工字形组合板件及铝合金面板的稳定承载力进行研究。 本文对薄壁铝合金轴压构件、铝合金工字形组合板件进行理论分析，在国外试验研究的基础上确定正确的有限元分析模型，在参数分析的基础上提出一系列可供指导设计的实用计算公式。此外，本文系统地提出了铝合金面板的设计方法及计算公式，并依托试验研究验证了各项铝合金面板设计公式的准确性。以下是本文工作的主要研究成果： 1)将直接强度法应用于薄壁铝合金轴压构件的稳定承载力计算，解决目前有效截面理论求解薄壁铝合金构件的某些缺陷。 2)利用国外试验数据建立正确的有限元模型，对薄壁铝合金轴压构件进行非线性有限元分析，为后续的参数分析提供可靠的数值结果。 3)建议基于直接强度法的薄壁铝合金轴压构件承载力计算公式，并与有限元计算结果、国外试验数据及欧洲规范计算结果进行数值比对，验证公式的正确性。 4)对目前工字形组合板件抗剪承载力的各种计算方法进行分析，针对铝合金材料弹性模量低，易发生局部剪切屈曲的力学特性建议合适的计算方法。 5)利用国外试验数据建立正确的有限元模型，对铝合金工字形组合板件进行非线性有限元分析，并进行相应的参数分析。 6)给出考虑腹板剪切屈曲后强度和翼缘抗剪作用的铝合金工字形组合板件的抗剪承载力计算公式，并与国外相应试验结果、有限元计算结果及欧洲规范计算结果进行数值比对，验证公式的正确性。 7)对国内外常用的铝合金屋面、墙面系统及其特点进行了介绍。 8)对铝合金面板进行试验研究，考察铝合金面板在均布荷载作用下的承载力，考察铝合金支托的稳定承载力。 9)对铝合金面板的强度计算公式、稳定计算公式、组合受力计算公式、铝合金支托屈曲计算公式进行总结和验证。形成了一整套的铝合金面板设计方法。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

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第1章 引言

1.1研究背景

1.1.1课题来源

1.1.2铝合金的种类及特点

1.1.3铝合金在国内外土木工程中的应用

1.2相关课题研究现状

1.2.1薄壁铝合金构件轴心受压的稳定问题

1.2.2铝合金工字型截面梁的剪切屈曲问题

1.2.3铝合金面板的设计

1.2.4本文研究内容

第2章 薄壁铝合金轴压构件承载力计算的直接强度法

2.1有效截面理论及设计方法

2.1.1受压板件的弹性屈曲解

2.1.2受压板件的大挠度理论

2.1.3铝合金构件的有效截面计算

2.1.4轴心受压铝合金构件的稳定计算

2.1.5目前设计理论可改进的地方

2.2基于直接强度法的薄壁铝合金轴压构件承载力计算

2.2.1薄壁构件的屈曲模式

2.2.2分析薄壁构件屈曲模式的有限样条法简介

2.2.3薄壁铝合金轴压构件承载力计算

2.3有限元模型分析

2.3.1建立有限元模型

2.3.2有限元模型计算结果和试验结果的比对

2.4铝合金轴压构件的设计公式

2.4.1构件整体稳定承载力计算公式

2.4.2考虑局部屈曲影响的构件稳定承载力计算公式

2.4.3考虑畸变屈曲影响的构件稳定承载力计算公式

2.5本文建议公式与试验结果、有限元分析结果对比

2.5.1铝合金轴压构件发生局部屈曲或整体屈曲

2.5.2构件发生畸变屈曲

2.6欧规Eurocode9与本文建议公式计算结果的比较

2.7本章小结

第3章 铝合金工字形截面梁的抗剪承载力研究

3.1工字形截面梁腹板剪切破坏的计算理论

3.1.1矩形板的弹性剪切屈曲理论

3.1.2工字形截面梁弹塑性极限承载力理论

3.2各国规范的相关规定

3.2.1美国钢结构规范AISC对工字形截面梁抗剪承载力的计算公式

3.2.2欧洲钢结构规范Eurocode3对工字形截面梁抗剪承载力的计算公式

3.2.3欧规Eurocode9对工字形截面梁抗剪承载力的计算公式

3.2.4中国钢结构规范对工字形截面梁抗剪承载力的计算公式

3.3有限元模型分析

3.3.1 工字形截面梁有限元模型建立

3.3.2有限元模型计算结果和试验结果的比对

3.4铝合金规范建议公式

3.4.1已有设计理论的不足

3.4.2铝合金工字形截面梁抗剪承载力组成

3.4.3铝合金工字形截面梁剪切承载力计算公式

3.5本文建议计算公式和欧规Eurocode9及GB50018计算结果对比

3.6本章小结

第4章 铝合金面板实验研究和设计建议

4.1铝合金面板的应用概述

4.1.1铝合金面板的力学性能

4.1.2铝合金板分类

4.1.3铝合金面板的常用屋面系统

4.1.4铝合金面板的常用墙面系统

4.1.5铝合金面板的研究现状及发展前景

4.2铝合金面板的材性试验

4.2.1材性试验过程及数据

4.2.2铝合金面板材料的本构关系

4.3铝合金板的正向及反向承载力试验研究

4.3.1铝合金板件尺寸及实验设计

4.3.2试验现象和结果

4.3.3试验定性结论及设计建议

4.4铝合金面板的实用计算公式

4.4.1集中荷载作用于铝合金面板时的简化

4.4.2铝合金板的强度计算

4.4.3铝合金面板的稳定计算

4.4.4铝合金面板的弯、剪组合受力计算

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.1.1薄壁铝合金轴压构件的直接强度法

5.1.2铝合金工字形截面梁的剪切屈曲设计研究

5.1.3铝合金面板试验及设计研究

5.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

附录A 轴心受压构件的稳定系数

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果