工字形铝合金受弯构件的整体稳定性分析【荐】.pdfVIP

中国科学E辑：技术科学 2007年第37卷第5期：628—635 ◇燃．：燃 http：／／www．scichina．com 工字形铝合金受弯构件的整体稳定性分析 程 明+石永久王元清 (清华大学土木工程系，清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京100084) 摘要 研究铝合金无侧向支撑受弯构件在各种荷载作用下的整体稳定问题．介 绍了国外现行铝合金规范中的受弯构件整体稳定性的设计方法；通过有限元计算 研究了材料热处理方式对铝合金受的整体稳定性的影响；针对几个算例，比较了 各种规范计算结果与有限元计算结果．以我国钢结构设计规范为基础，参考欧洲 铝合金规范，英国铝合金规范和美国铝合金规范，适当修改了钢结构受弯构件稳 定系数的计算公式，提出了铝合金受弯构件稳定系数的计算方法．通过对大量的 有限元计算结果的统计分析，验证了文中建议的铝合金受弯构件稳定系数计算公 式的准确性．通过与文献中试验结果的对比，可以证明文中提出的设计方法能够 很好的应用于实际设计中． 关键词 铝合金受弯构件侧向失稳稳定系数有限元分析设计方法 铝合金材料具有自重轻、可模性好、比强度高、防腐性能优良和可以循环利用等优点，是 可以大规模应用于建筑结构的理想结构材料．欧美一些国家从20世纪中叶就开始大规模修建 铝合金建筑，结构形式也多种多样；我国在20世纪末开始出现铝合金结构，多数为铝合金网 架、网壳结构…． 欧美国家对铝合金结构的研究起步较早，研究成果比较成熟．早在20世纪70年代，ECCS 出版了《欧洲铝合金结构建议》【21，美国铝业协会出版了《铝合金结构规范》[31，英国(cP118)、 法国(DTU)、德国(DIN4113)、意大禾IJ(UNI8634)等国也在同一时期出版了各自的规范．我国在 铝合金结构的研究方面起步较晚，目前已经发表的研究成果主要集中在轴心受压杆件的稳定 性上H删． 本文主要研究铝合金受弯构件的整体稳定问题．首先介绍国外现有设计方法；其次根据 有限元计算的结果，适当修改了我国钢规中关于受弯构件整体稳定性的设计公式，以用于计 算铝合金梁的稳定系数．最后通过比较建议公式计算结果与试验结果，说明本文提出的设计 方法的适用性． 收稿日期：2005—1I．22；接受日期：2006．07—07 高等学校博士学科点专项科研基金(批准号：20050003080)资助项目 +E-mail：Chengming@China．corn．cn 第5期 程 明等：工字形铝合金受弯构件的整体稳定性分析 629 1有限元模型简介 点．图1(a)显示了有限元模型的几何形状和网格划分． (a) (b) 图1 限元模型的网格划分和初始缺陷模态 (a)网格划分；(b)初始几何缺陷 材料的应力一应变关系按照Ramberg．Osgood方程定义1． ￡=(叫E)+o．002(吖／o．2)“， (I) 于铝合金材料没有明显的屈服平台，所以通常用而．：作为其强度的标准值． 在钢梁的稳定理论中，已经研究了初始几何缺陷、残余应力、边界条件、荷载类型及作用 位置等因素的影响【11'12】。铝合金构件一般通过挤压成型，在挤压过程中会出现板件厚度不均， 在拉伸校直过程中会出现Bauschinger效应【”】． 以上因素中，边界条件一般考虑得比实际情况不利，其影响可以不计，而作为安全储备． 件初始变形为梁长的1／1000【l 31，初始变形的形式参考构件的一阶失稳模态(图1(b))．由于铝合 金的弹性模量较小，所以铝合金梁中残余应力的影响不像钢梁中那么显著。挤压型材中的残 余应力更小，可以忽略．荷载类型及作用位置、构件的热处理方式和构件截面形状对铝合金梁 的稳定影响很大，在研究中作为参数加以考虑．此外为了避免局部屈曲的影响，有限元模型中 的板件宽厚比都较小． 有限元计算主要包括两个步骤：首先进行构件的失稳模态分析；然后把基于一阶