薄壁铝合金轴压构件承载力计算的直接强度法_董震

基金项目 : 国家标准《铝合金结构设计规范 》项目课题 作者简介 : 董震 ,博士 ,工程师 收稿日期 : 2007211213
面 ,允许板件的宽厚比超过局部稳定所要求的限度 , 以提高材料的使用效益 。板件局部屈曲虽然对构件 承载力有所影响 ,但由于构件具有较大的回转半径和 较小的长细比 ,材料消耗量还是比壁薄不失稳的截面 低 。对这类截面构件承载力计算 ,无论是薄壁钢结构 还是铝合金结构 ,基于 W inter公式的有效截面理论是 目前最常用的方法 [ 1 ] ,世界上绝大多数国家的规范均 按此原理进行薄壁金属构件承载力计算 。
构件局部屈曲的特点是屈曲前后构件中各板件 的交线保持着原来的直线 ,见图 1 ( b) 。其屈曲半波长 度是三种屈曲模式中最短的 。柔薄的构件在发生局 部屈曲后 ,强度会有较大提高 ,几何缺陷对构件发生 整体屈曲的影响较小 。
构件畸变屈曲的特点是屈曲前后构件中各板件 的交线发生位移或扭转 ,见图 1 ( c) 。但和整体屈曲不 同的是 ,畸变屈曲变形前后构件截面的形状发生改 变 。畸变屈曲半波长度局中 ,屈曲后强度提高幅度较 小 ,几何缺陷对其影响明显 。
但随着对薄壁构件计算理论的研究越加深入以 及现代结构对构件形状的要求越来越丰富 ,结构设计 者们发现有效截面理论的以下缺陷渐渐凸显出来 : ①由于其需要计算构件有效截面分布 ,截面越复杂 ,
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D irect strength m ethod for ca lcula tion of the bear ing capac ity of th in2wa ll a lum inum a lloy m em bers under ax ia l load
D ong Z hen1 Z hang Q ilin2 (1. Shanghai Posts & Telecomm unications Design Institute Co. , L td, Shanghai 200092, China;
第 42卷 第 6期
董震等 ·薄壁铝合金轴压构件承载力计算的直接强度法
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构件承载力计算的复杂程度就越大 ; ②由于有效截面 理论在计算过程中 ,假定的构件中性轴位置要随有效 截面的分布而变化 ,因此精确计算构件承载力须使用 迭代 ,有时不得已 ,计算中必须对复杂的截面进行大 量的简化 ,致使设计精度下降 ; ③由于有效截面理论 是针对考虑板件发生局部屈曲模式的计算方法 ,对开 口薄壁轴压构件可能发生的畸变屈曲模式无法分析 。 针对这些问题 , Schafer B W 教授 、Hancock G J教授针 对冷弯钢结构承载力计算创立了直接强度法 [ 2 - 3 ] 。经 过几年的 研究 、发 展 及 完 善 , 2004 年 美 国 钢 铁 协 会 A ISI已经接纳了直接强度法 ,并将其作为冷弯薄壁型 钢结构承载力计算的补充公式 [ 4 ] 。
摘要 : 采用 Schafer B W 教授提出的直接强度法研究薄壁铝合金轴压构件承载力计算问题 ,并给出实用的建议设计 公式 。根据铝合金构件的特性指出采用有效截面理论计算薄壁铝合金轴压构件承载力时存在复杂截面难以计算 、 计算必须迭代和无法分析构件畸变屈曲的缺陷 ,分析薄壁铝合金轴压构件的屈曲模式 ,给出各种屈曲模式下适合 铝合金构件的屈曲荷载的计算方法 。提出基于直接强度法的薄壁铝合金轴压构件承载力计算公式 。利用试验数 据和经试验数据验证的有限元计算结果与提出的建议计算公式的计算结果比对 ,验证了建议公式的正确性 。此 外 ,对照 Eindhoven大学的铝合金槽形截面构件轴压试验数据 ,与现行欧洲铝合金规范计算结果比对 ,证明比现行 欧洲铝合金规范计算公式更合理 。 关键词 : 铝合金 ; 轴压构件 ; 直接强度法 ; 有效截面理论 中图分类号 : TU395 文献标识码 : A 文章编号 : 10002131X (2009) 0620028207
第 42卷第 6期 2 0 0 9年 6月
土 木 工 程 学 报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JO URNAL
Vol. 42 No. 6
J un.
2009
薄壁铝合金轴压构件承载力计算的直接强度法
董 震 1 张其林 2
(1. 上海邮电设计院有限公司 , 上海 200092; 2. 同济大学 , 上海 200092)
2 薄壁铝合金轴压构件的屈曲荷载
2. 1 整体屈曲荷载 Pne 的计算方法 根据参考文献 [ 627 ]研究成果 ,非焊接轴心受压
铝合金构件整体稳定承载力 Pne 应按下式计算 :
Pne =φ·ηas ·A ·f
(1)
φ=
1 2λ2
( 1 +η +λ2 ) -
( 1 +η +λ2 ) 2 - 4λ2
· 30 ·
土 木 工 程 学 报
2009年
表
1
截面非对称性系数
η a
s
Ta b le
1
Fa c tor
of
a symm etry
of
cro ss2sec t ion,
η as
弱硬化合金
强硬化合金
η as
= 1 - 2. 4ψ2
(1
λ2 +λ2 ) (1
+λ) 2
ηas
=1
-
3. 2ψ2
2. Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: The direct strength method (DSM ) by B. W. Schafer is emp loyed to calculate the bearing capacity of thin2wall alum inum members under axial load, and design formulas are p roposed. The effective section theory is not suitable for the analysis of thin2wall alum inum alloy members because of the difficulties in handling comp lex cross section, iterative calculation and distortion buckling. Buckling models of alum inum alloy members under axial force are analyzed, and relevant buckling load formulas p resented. Design formulas based on the DSM for calculating the bearing capacity of thin2 wall alum inum alloy members under axial force are p roposed and verified by comparing with experimental and the finite element results. By comparing the results from the p roposed design formulas with those from Eurocode and the test results of Eindhoven University, it can be found that the p roposed design formulas can p rovide more reasonable values of the bearing capacity of thin2wall alum inum members than the current Euro code formulas. Keywords: alum inium alloy; axial comp ression mem bers; direct strength method; theory of effective section E2ma il: dz_china@126. com
1 轴心受压薄壁铝合金构件的屈曲模式
承受轴向压力的薄壁铝合金构件常发生图 1所示 的三种屈曲模式 :
构件整体屈曲的特点是屈曲前后截面形状不变 ,构 件中各板件的交线发生位移或扭转 ,见图 1 ( a) 。整体
屈曲包括弯曲屈曲 、扭转屈曲和弯扭屈曲 ,其屈曲半波 长度较长 。构件发生整体屈曲后 ,其强度不会再有明显 提高 ,几何缺陷对构件发生整体屈曲的影响较明显。
利用 Schefer B W 教授的直接强度理论进行薄壁 铝合金构件承载力计算方法的研究是解决以上问题 的一个新的突破口 。直接强度法的计算思路是将薄 壁受压构件整体屈曲荷载 Pne 、局部屈曲荷载 Pcrl 和 畸变屈曲荷载 Pcrd 分别计算出来 ,并在考虑整体屈曲 和局部屈曲的相关问题 、畸变屈曲和强度破坏的相 关问题的基础上确定构件的实际承载力 Pn 。利用 直接强度理论不再需要计算构件的有效截面属性 ; 计算过程也不再需要迭代求解 ; 承载力计算涵盖构 件可能发生的整体屈曲 、局部屈曲和畸变屈曲模式 。 本文将给出基于直接强度理论的薄壁铝合金轴压构 件承载力计算公式 ,并借助试验数据及有限元分析 验证其正确性 。
η
= α (λ
-
λ 0
)
且φ≤1
(2)
式中 : A 为构件毛截面面积 ; f为铝合金材料的抗压强
度设计值
;
η as
为非对称性系数
,双轴对称构件
η as
=
1,
单轴取用 ; φ为构件稳定系数
,
η为考虑初始弯曲及初偏心的系数 ,铝合金构件的 φ、
η计算方法见参考文献 [ 6 ]。
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2. 2 局部屈曲荷载 Pcrl 计算方法 根据参考文献 [ 8 ]的对薄壁铝合金轴压构件局部
屈曲荷载计算方法的研究 ,其局部屈曲荷载 Pcrl 的计 算应考虑板组约束对屈曲系数的影响 。以槽型和卷
边槽型构件为例 ,计算公式如下 :
引 言
由于具有自重轻 、耐腐蚀 、施工方便等优点 ,铝合 金材料在大跨建筑 、轻质桥梁等结构中的应用日益增 多 。其中以薄壁铝合金轴压构件制作的网架 、网壳结 构最为常见 ,在国内就有北京航天实验研究中心 、上 海科技馆 、上海植物园展览温室等著名建筑 。
薄壁金属构件的受压板件宜采用宽而壁薄的截
有效截面理论的缺陷对铝合金结构承载力计算 更加不利 ,一方面因为铝合金可挤压成型 ,挤压工艺 的灵活性使得板件可任意添加复杂的纵向加劲肋 ,同 时各板件的宽度 、厚度均可不等 ,因此复杂的截面形 状使得有效截面理论应用于薄壁铝合金结构更加困 难 ;另一方面因为铝合金的弹性模量只有钢材的三分 之一 ,其稳定问题比钢结构更加突出 。针对铝合金的 这种特性 , 在欧洲铝合金结构设计规范 Eurocode9[ 5 ] (以下简称“Eurocode9 ”)和我国《铝合金结构设计规 范 》[ 6 ]中均规定只要板件宽厚比不满足要求的限值 , 构件就要根据有效截面理论进行截面积折减 ,这将会 产生较保守的承载力计算结果 。因为高而薄的构件 可能会在板件发生局部屈曲前就已经整体失稳了 。
λ2 ( 1 +λ2 ) ( 1 +λ) 2
注 : ψ = ( ymax - ym in ) / h ,其中 ymax 及 ym in 为截面最外边缘到截面形心 的距离 , ymax ≥ ym in , h为截面高度 ,且 h = ymax + ym in; λ为正则化长细 比 , λ = (λ/π) f0. 2 / E 。