双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法技术

本发明专利技术公开了一种双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法，包括：1）选定需要分析的钢构件截面形式以及所受常轴压力；2）建立关键参量x

【技术实现步骤摘要】
双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法


[0001]本专利技术涉及一种双向压弯下钢构件加载全过程截面塑性发展程度和双轴弯矩的判定方法，具体是通过预测双向压弯钢构件危险截面弹塑性中性轴位置以及转动夹角，确定危险截面的正应力分布形式，建立构件加载位移、正应力分布形式以及绕不同主轴所受弯矩三者之间的理论关系，为考虑指定塑性发展的钢构件设计提供设计依据。

技术介绍

[0002]一般情况下，双向压弯钢构件的截面正应力分布形式具有一定的不确定性，会导致截面应力的发展与宏观承载力之间的联系更加复杂。而且，钢构件的弹塑性设计方法是建筑钢结构设计的重要基础，为了更加充分安全的利用钢材的性能并把握构件的承载力能力冗余和转动能力范围，钢构件的在复杂受力状态下危险截面的正应力发展过程的确定至关重要。
[0003]目前，在中国钢结构设计规范中是以截面等级的不同作为主要划分依据，分别考虑构件在强轴压弯下发展全截面塑性、发展部分塑性以及不发展塑性的抗弯承载力，没有考虑双向压弯下的双向相关作用。而欧洲和美国的钢结构设计规范对于双向弯矩的设计曲线过于简单和保守，不能充分体现钢构件截面的塑性发展程度以及宏观承载力安全储备。
[0004]本专利技术所提出的判定方法为钢构件在双向压弯加载下的截面塑性发展程度以及两主轴弯矩提供判断依据。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种双向压弯下钢构件加载全过程截面塑性发展程度和双轴弯矩的判定方法，在平截面假定的基础上通过旋转塑性中性轴计算钢构件轴压和双向弯曲作用下的全截面塑性时绕不同主轴所受弯矩大小。
[0006]本专利技术的基本原理是基于平截面假定的这一基础假定，根据全截面塑性时的截面应力分布形式，求解截面的全截面塑性绕不同主轴所受弯矩大小。通过本专利技术所提出的判定方法，可以对承受双向压弯荷载的钢构件的塑性发展程度进行理论计算及判定，并得到相对应的双向弯矩；能够准确把握钢构件在实际受力过程中的安全性以及承载能力储备，为实际的设计过程提供较为精确的设计依据。本专利技术能够在此基础上，限制结构的塑性发展程度以及承载能力，以保证结构具有足够的安全储备、承载能力冗余以及转动能力，为钢构件的设计以及使用过程中的安全性判定提供依据。
[0007]本专利技术提供的一种双向压弯下钢构件加载全过程截面塑性发展程度和双轴弯矩的判定方法，以参量化有限元分析结果为基础，结合平截面假定，通过轴力平衡确定三个关键参量，进而建立加载位移、截面正应力分布以及绕不同主轴所受弯矩三者之间的理论联系；最终，可对钢构件在双向压弯下的塑性发展程度以及双轴弯矩等作做出定量评价，为考虑部分塑性发展的钢构件设计提供重要设计基础。
[0008]上述判定方法具体包括以下步骤：
[0009]1)选定需要分析的钢构件截面形式(任意截面形式)以及所受常轴压力(在实际受力过程中，构件所受轴压力基本保持不变)；
[0010]2)建立关键参量x
P
和y
Q
与钢构件所受双向加载位移之间的联系(x
P
和y
Q
分别表征危险截面弹塑性中性轴与两个主轴的交点坐标)；钢构件双向压弯的实际受力过程可视为加载端的常轴压力和逐渐增长的双向水平位移共同作用，通过关键参量x
P
和y
Q
建立构件层次加载位移与截面层次的应力分布的关系。
[0011]3)指定加载位移，以钢材的材料属性作为截面应变和应力的过渡，结合x
P
和y
Q
，假定危险截面初始转动夹角代入轴力平衡方程，多次迭代求解满足轴力平衡方程的危险截面转动夹角
[0012]4)通过步骤1)至步骤3)的分析，确定双向压弯钢构件在指定位移加载下的危险截面正应力的分布形式，得到构件危险截面处受拉受压屈服的面积，并以此分析计算在该指定加载位移下的截面塑性发展程度系数γ；
[0013]5)基于危险截面正应力的分布形式对两条主轴进行积分取矩计算，得到在该指定加载位移下构件绕两主轴方向的弯矩M
x
和M
y
；
[0014]6)在上述的加载条件下，重复多次尝试不同大小的指定加载位移，以特定增量步(η倍的构件边缘屈服位移)作为位移增量；
[0015]指定加载位移是指从0增加至10倍的构件边缘屈服位移，重复上述步骤4)至步骤5)，判定钢构件在任意双向压弯加载位移下危险截面的塑性发展程度以及双向弯矩的发展情况。η的取值取决于计算精度的要求，计算精度越高，η值越小，但最大不超过1.0，通过对指定加载位移的改变，重复步骤4)至步骤5)，对加载全过程下构件的塑性发展程度以及两轴弯矩进行判定。
[0016]上述方法中，所述钢构件的截面类型包括不产生局部屈曲破坏的任意截面钢构件。常轴压力模拟构件在实际受力过程中的自重荷载。
[0017]上述方法中，钢构件在局部屈曲发生之前的双向压弯加载过程中，各个横截面时刻满足平截面假定，弹塑性中性轴的位置可由关键参量x
P
和y
Q
唯一确定。指定加载位移下钢构件危险截面弹塑性中性轴的位置可由关键参量x
P
和y
Q
位移确定，确定方法包括以下两种的任一种：
①
建立参量化有限元分析模型，提取危险截面正应变分布下的两个关键参量x
P
和y
Q
，通过最小二乘法拟合建立加载位移与两个关键参量的经验公式；
②
通过钢构件弹塑性理论发展规律，建立x
P
和y
Q
的理论计算式。
[0018]上述方法中，构件受力之后的危险截面转动的曲率通过轴力平衡方程求解得到，能够真实反应截面的受力变形情况。
[0019]上述方法中，截面的塑性发展程度的计算方法基于截面正应力的分布形式，具体计算公式如下：
[0020][0021]式中：γ表示截面塑性发展程度系数；A
yc
和A
yt
分别表示双向压弯钢构件受压和受拉屈服的危险截面面积，通过x
P
、y
Q
和的几何关系可以求出A
yc
和A
yt
；A表示危险截面的面积；
[0022]承受双向压弯作用的钢构件的两主轴弯矩的计算公式为：
[0023]M
x
＝∫σydA；M
y
＝∫σxdA
[0024]式中M
x
和M
y
和分别表示双向压弯钢构件的双向弯矩；σ为危险截面的正应力分布形式；x和y分别表示积分单元在直角坐标系中的坐标值；dA表示积分单元的面积。
[0025]上述方法中，双向压弯钢构件的塑性发展程度以及双轴弯矩的预测能够为钢构件的部分塑性设计提供参考，同时，经过多次重复分析计算，可得到加载全过程下构件的双向弯矩发展曲线以及塑性发展程度的曲线。
[0026]本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法，其特征在于包括以下步骤：1)选定需要分析的钢构件截面形式以及所受常轴压力；在实际受力过程中，构件所受轴压力基本保持不变；2)建立关键参量x
P
和y
Q
与钢构件所受双向加载位移之间的联系，x
P
和y
Q
分别表征危险截面弹塑性中性轴与两个主轴的交点坐标；钢构件双向压弯的实际受力过程可视为加载端的常轴压力和逐渐增长的双向水平位移共同作用，通过关键参量x
P
和y
Q
建立构件层次加载位移与截面层次的应力分布的关系；3)指定加载位移，以钢材的材料属性作为截面应变和应力的过渡，结合x
P
和y
Q
，假定危险截面初始转动夹角代入轴力平衡方程，多次迭代求解满足轴力平衡方程的危险截面转动夹角4)通过步骤1)至步骤3)的分析，确定双向压弯钢构件在指定位移加载下的危险截面正应力的分布形式，得到构件危险截面处受拉受压屈服的面积，并以此分析计算在该指定加载位移下的截面塑性发展程度系数γ；5)基于危险截面正应力的分布形式对两条主轴进行积分取矩计算，得到在该指定加载位移下构件的绕两主轴方向的弯矩M
x
和M
y
；6)在上述的加载条件下，重复多次尝试不同大小的指定加载位移，以特定增量步作为位移增量；特定增量步是指η倍的构件边缘屈服位移，指定加载位移是指从0增加至10倍的构件边缘屈服位移，重复上述步骤4)～5)，判定钢构件在任意双向压弯加载位移下危险截面的塑性发展程度以及双轴弯矩的发展情况。2.根据权利要求1所述的双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法，其特征在于：步骤1)中，所述钢构件的截面类型包括不产生局部屈曲破坏的任意截面类型钢构件；常轴压力模拟构件在实际受力过程中的自重荷载。3.根据权利要求1所述的双向压弯下钢构件截面塑性发展程度和双轴弯矩判定方法，其特征在于：步骤2)中，指定加载位移下钢构件危险截面弹塑性中性轴的位置由关键参量x
P
和y
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【专利技术属性】
技术研发人员：袁加旺，程欣，杜辉波，李海旺，牛瑾炫，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：