一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法技术

本发明专利技术提供了一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法。所述方法包括：首先，依据工程经验初步设计构件截面尺寸，结合有效宽度法和直接强度法计算出构件未开孔时的轴压承载力；第二步，考虑开孔数目、开孔孔径和开孔孔长对构件的影响，拟合得到承载力折减系数的计算公式，并计算得到开孔构件折减后的轴压承载力；第三步，验算构件在设计荷载作用下承担的最大轴压设计值是否不超过按上述步骤计算得到的开孔构件轴压承载力，若超过，则需增大截面以提高承载力；若小于计算承载力的70％，则认为截面设计过于富余，需要减小截面使设计更为经济。根据本发明专利技术的设计方法能够安全合理设计腹板开孔高强钢冷弯薄壁C形截面构件。件。件。

【技术实现步骤摘要】
一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法


[0001]本专利技术涉及一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，属于结构工程
特别地，本专利技术涉及一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面轴心受压构件的设计方法。

技术介绍

[0002]冷弯薄壁型钢建筑具有自重轻、强度高、建造快、造价低、空间造型灵活及材料节能环保等优点，近年来在新农村和新城镇建设中得以广泛应用。冷弯薄壁C形截面(或称带卷边槽形截面)钢构件常用于墙体作为墙体骨架立柱，并且，为便于后期的水电暖通管道和通信网络管线的铺设安装，常需在冷弯薄壁C形截面钢构件的腹板开设孔洞，这对构件的承载力具有较大影响。
[0003]然而，目前的行业规范对于腹板开孔的高强冷弯薄壁型钢承载力还没有具体的计算公式，仅存在一些构造措施要求。冷弯薄壁型钢构件的组成板件宽厚比大，其自身刚度较弱，腹板开孔后会进一步加剧构件屈曲，降低承载力。因此，对具有腹板开孔的高强冷弯薄壁型钢构件承载能力进行系统研究并制定相应设计方法具有重要学术意义和工程价值。

技术实现思路

[0004]技术问题：
[0005]本专利技术要解决的技术问题是明确腹板开孔对受轴向载荷作用下的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力的影响，继而提出一种可靠的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面轴心受压构件设计方法。
[0006]技术方案：
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，具体为一种腹板开孔的两端铰接高强钢冷弯薄壁C形截面轴心受压构件设计方法，所述方法包含如下步骤：
[0008]步骤一：假设总长度为l的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的腹板未开孔，并假设该钢构件受轴向压力设计值N
mx
，根据工程设计经验初步设计其截面腹板高H、翼缘宽B、卷边宽C，壁厚为t，上述总长度l、截面腹板高H、翼缘宽B、卷边宽C，壁厚t的单位均为mm；进一步，按照《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018)采用有效宽度法分别计算该钢构件的强度破坏极限承载力N
q
、整体稳定极限承载力N
w
；按照《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》(JGJ227)采用直接强度法计算畸变屈曲承载力N
nd
、畸变与整体相关屈曲承载力N
n1
；取上述承载力的计算结果N
q
、N
w
、N
nna
、N
nl
中的最小值作为该步骤所设计的腹板未开孔的钢构件的轴压承载力N
nh
；
[0009]步骤二：所述步骤一设计得到的总长度l、腹板高H、翼缘宽B、卷边宽C的高强钢冷弯薄壁C形截面构件，假设其腹板上开设圆孔或者长圆孔，其中开孔数目为n、开孔直径为D、孔长为L
h
；并引入开孔率D/H来衡量开孔直径对腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的
轴压承载力的影响，引入孔长率L
h
/l来衡量开孔孔长对腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力的影响，得到腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件在轴向压力作用下的轴压承载力折减系数r
c
.；则腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件在轴向压力作用下的轴压承载力N
u
计算公式如下：
[0010]N
u
＝0.97r
c
×
N
nh
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0011]为考虑安全性，引入安全系数0.97。
[0012]步骤三：验算所述步骤二中的腹板开孔高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力N
u
是否超过其需要承担的最大轴向压力设计值N
mx
。
[0013]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，所述步骤三中，若0.7N
u
≤N
mx
≤N
u
，则表明所述腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力满足设计要求，且截面设计经济合理，设计完成。
[0014]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，所述步骤三中，若N
mx
＜0.7N
u
，则表明所述腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的截面设计使其轴压承载力过大，不够经济，则重新设计所述高强钢冷弯薄壁C形截面构件以减小C形截面，并按照所述步骤一至所述步骤三重新进行验算直至满足0.7N
u
≤N
mx
≤N
u
。
[0015]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，所述步骤三中，若N
mx
＞N
u
，则表明所述高强钢冷弯薄壁C形截面构件的截面初步设计使其轴压承载力不安全，则重新设计所述高强钢冷弯薄壁C形截面构件以增大C形截面，并按照所述步骤一至所述步骤三重新进行验算直至满足0.7N
u
≤N
mx
≤N
u
。
[0016]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，选取腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的典型试验构件进行加载试验及非线性有限元计算，根据加载试验和非线性有限元计算得到较为充分的腹板开孔的构件与腹板未开孔的相同构件的轴压承载力的比值，该比值为考虑腹板开孔影响的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力折减系数r
c
的真实值；并找出影响该比值的参数有：构件开孔率D/H、孔长率L
h
/l和开孔数目n，将这三个主要参数作为变量，依据试验和有限元计算得到的r
c
真实值，对腹板开孔的构件与腹板未开孔的相同构件的轴压承载力的比值基于最小二乘法进行数值拟合，得到可供实际工程设计使用的轴压承载力折减系数r
c
计算公式如下：
[0017][0018]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，当腹板的开孔形式为方形孔或者矩形孔时，其截面设计过程中，需将所述步骤二中的开孔直径D替换为开孔沿腹板方向的最大宽度a，将开孔孔长L
h
替换为开孔沿构件长度方向的最大长度b。
[0019]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法适用于制作材料为LQ550镀铝锌钢板，壁厚t不超过1mm的冷弯薄壁型钢。
[0020]根据本专利技术所述的腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，若实际工程中的高强钢冷弯薄壁C形截面构件，其腹板需要开多个孔以满足工程需求，为了避免开孔
集中而导致该钢构件的腹板削弱过大从而其轴向承载力折减过于严重，需保证相邻开孔的间距不小于300mm。
[0021]本专利技术还提供了上述设计方法在设计腹板开孔高强钢冷弯薄壁C形截面构件方面的具体应用。
[0022]本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：假设总长度为l的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的腹板未开孔，并且假设该构件受到设计值为N
mx
的轴向压力作用，根据工程设计经验初步设计其截面腹板高H、翼缘宽B、卷边宽C，壁厚t，针对初步设计的截面，按照GB50018《冷弯薄壁型钢结构技术规范》采用有效宽度法分别计算所述构件的强度破坏极限承载力N
q
、整体稳定极限承载力N
w
；按照JGJ227《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》采用直接强度法计算畸变屈曲承载力N
nd
、畸变与整体相关屈曲承载力N
nl
；取N
q
、N
w
、N
nd
、N
n1
四个值中的最小值作为腹板未开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件在轴向压力作用下的轴压承载力N
nh
；步骤二：由所述步骤一设计得到的腹板高H、翼缘宽B、卷边宽C的高强钢冷弯薄壁C形截面构件，在其腹板上开设圆孔或者长圆孔，其中开孔数目为n、开孔直径为D、孔长为L
h
；并引入开孔率D/H来衡量开孔直径对腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力的影响，引入孔长率L
h
/l来衡量开孔孔长对腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力的影响，得到腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件在轴向压力作用下的轴压承载力折减系数r
c
.，则腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力N
u
为：N
u
＝0.97r
c
×
N
nh
；其中，0.97为安全系数；步骤三：验算由所述步骤二计算得到的轴压承载力N
u
是否超过腹板开孔高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴向压力设计值N
mx
。2.根据权利要求1所述的一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，其特征在于，所述步骤三中，若0.7N
u
≤N
mx
≤N
u
，则表明所述腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的轴压承载力N
u
满足设计要求，且截面设计经济合理，设计完成。3.根据权利要求1所述的一种腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件设计方法，其特征在于，所述步骤三中，若N
mx
＜0.7N
u
，则表明所述腹板开孔的高强钢冷弯薄壁C形截面构件的截面设计使其轴压承载力N
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王登峰，任瑞雪，徐雯凌，张愿，程镓竣，
申请(专利权)人：华仁建设集团有限公司，
类型：发明
国别省市：