铝合金受压板件局部屈曲与受弯构件弯扭屈曲承载力研究

摘要

铝合金结构在土木工程中的应用是近数十年来发展的新趋势。作为一种新兴的建筑结构材料，铝合金必将在促进结构工程科学与建筑艺术融合的过程中发挥深远的影响。与发达国家相比，国内关于铝合金结构的研究起步较晚，尽管也取得了一些成果，但尚未形成一套完整的设计体系。研究工作滞后和设计指导原则的匮乏阻碍了铝合金结构在国内的应用和发展，国家铝合金结构设计规范的制定显得尤为迫切。本文依托国家建设部《铝合金结构设计规范》项目，主要完成铝合金结构构件中受压板件的局部屈曲和受弯构件的弯扭稳定这两部分研究工作。关于如何利用铝合金构件中受压板件的屈曲后强度问题，本文给出了不同类型板件的有效截面计算方法，并以有效截面的概念考虑局部屈曲对构件整体承载力的影响。分析中考察了铝合金材料的本构关系，并根据材料类型对计算公式分类。根据板的小挠度弹性理论，采用平衡法建立了不同截面的弹性相关屈曲理论，给出了相邻板件约束系数的计算式；在“有效厚度”法的基础上，通过引入约束系数考虑相邻板件间的板组效应，从而进一步完善铝合金受压板件的局部稳定设计理论；讨论了受压边缘加劲板件，受压中间加劲板件有效截面的计算方法，比较不同计算模型与有限元分析结果的差异。根据势能驻值原理，建立了均匀受压矩形管的大挠度屈曲后理论，并用该理论详细分析了矩形管屈曲后板组效应。在应用板的小挠度弹性理论，对矩形管进行相关屈曲分析时，总是假定各板件同时屈曲，且屈曲时板件临界应力相等；这在加载初期是正确的，但在屈曲后阶段不太符合实际情况。更精确的理论分析表明：由于受压板件屈曲后的应力重分布，各板件的平均纵向应力不再相等，荷载倾向于作用在刚性好的较窄壁板上；这使得考虑屈曲后行为的均匀受压矩形管截面的板组效应不及按小挠度特征屈曲分析时那样明显。研究了铝合金梁的弯曲性能，结合铝合金材料的本构关系，通过数值分析获得常用截面的塑性发展系数γ。结合Ramberg-Osgood规律，并采用Steinhardt建议式f0.2=10n，导出了无缺陷铝合金受弯构件稳定系数与构件相对长细比和材料应变硬化指数的关系。结合大量的有限元数值模拟分析，针对强硬化和弱硬化合金分别拟合出Perry-Robertson形式的铝合金梁弹塑性弯扭屈曲计算公式，并对拟合公式进行了试验验证。关键词：铝合金 局部屈曲 弯扭屈曲 稳定系数 本构关系 板组效应 大挠度

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1铝合金结构的特点、分类和应用

1.1.1铝合金材料的物理及力学性能

1.1.2铝合金的生产工艺及分类

1.2国内外铝合金结构研究现状

1.3本文的研究背景及主要工作

1.3.1研究背景及主要问题

1.3.2本文的主要工作

1.3.3本文所解决的关键问题及创新点

参考文献

第二章 铝合金构件中的受压板件

2.1概述

2.2受压板件的弹性屈曲

2.3铝合金受压板件的弹塑性屈曲

2.3.1 Stowell的弹塑性板屈曲理论

2.3.2 Bleich的弹塑性板屈曲近似理论

2.3.3 铝合金受压板件的弹塑性屈曲

2.4受压板件的板组效应

2.4.1轴压矩形管截面构件板组相关屈曲理论

2.4.2轴压槽形截面构件板组相关屈曲理论

2.4.3矩形管截面、槽形截面板件的约束系数

2.4.4 Bleich的板组相关屈曲近似理论

2.5加劲肋的完全加劲与不完全加劲作用

2.5.1中间加劲板件

2.5.2边缘加劲板件

2.6本章小结

参考文献

第三章 铝合金受压板件的屈曲后强度及有效截面计算

3.1板的大挠度理论

3.2受压板件的屈曲后强度利用及其有效截面计算

3.2.1受压加劲板件

3.2.2受压非加劲板件

3.3受压边缘加劲板件的有效截面计算

3.3.1受压边缘加劲板件的弹性地基梁模型

3.3.2受压边缘加劲板件的弯扭屈曲模型

3.3.3三种计算模型的算例分析及其有限元比较

3.4受压中间加劲板件的有效截面计算

3.4.1受压中间加劲板件的弹性地基梁模型

3.4.2算例分析

3.5考虑相关屈曲的铝合金受压板件有效截面计算

3.5.1轴压铝合金短柱承载力的有限元分析比较

3.6受压板件的屈曲后板组效应研究

3.6.1均匀受压矩形管的大挠度屈曲后理论

3.6.2均匀受压矩形管屈曲后板组效应分析

3.6.3结论

3.7本章小结

参考文献

第四章 铝合金受弯构件的弯曲性能及整体稳定

4.1受弯构件的截面弯曲性能

4.2受弯构件弯扭屈曲的一般理论

4.2.1几种典型受弯构件弹性弯扭屈曲的临界弯矩

4.2.2受弯构件的弹塑性弯扭屈曲

4.3各国金属结构规范中受弯构件弯扭稳定计算公式比较

4.3.1欧洲铝合金结构建议

4.3.2欧盟铝合金结构设计规范EC9

4.3.3美国铝合金设计手册

4.3.4我国钢结构设计规范GB20017和GB20018

4.4铝合金受弯构件弯扭稳定系数的确定

4.5铝合金梁的局部稳定和整体弯扭稳定的相关性

4.6铝合金梁弯扭屈曲的试验研究

4.6.1试验方案

4.6.2试验结果及试验现象分析

4.7本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5.1本文的主要研究成果和结论

5.2展望

在读期间发表的学术论文与研究成果

致谢