不锈钢轴心受压构件稳定性试验和设计理论研究

本项目采用试验研究、有限元数值模拟和理论分析相结合的方法，研究不锈钢构件的局部稳定性和整体稳定承载性能，并提出了相应的设计计算方法。 本项目主要针对建筑工程中常用的奥氏体以及双相体不锈钢焊接截面类型（工字形和箱形），研究了不锈钢轴心受压构件的残余应力分布、局部稳定和整体稳定。针对局部稳定承载性能，改进现有局部稳定承载力的计算公式；对于整体稳定承载性能，提出不锈钢轴心受压构件整体稳定承载力的计算公式和相应的柱子曲线。 主要包括以下三方面内容： （1）对焊接加工的10个工字形和8个箱形截面不锈钢试件的残余应力大小与分布形态采用割条法进行实际试验量测，并对量测结果进行归纳总结分析。提出构件残余应力分布模型。此外对ECCS所建议的分布模型进行了修正，提出了残余应力建议简化分布模型图。 （2）针对不锈钢构件的局部稳定问题，首先通过试验得到不锈钢材料的力学特性。同时对短柱试件的几何初始缺陷进行了测量。然后对28个工字形和箱形截面不锈钢短柱试件进行了轴心加载试验。所有试件的破坏形态均为组成板件发生局部屈曲失效，同时试件截面的加载应力-应变曲线表现出典型的非线性特性。基于试验数据验证了有限元模型，对不锈钢构件局部稳定进行参数分析，有限元模型考虑不锈钢非线性材料力学性能、截面焊接残余应力、构件的局部几何初始缺陷等因素对局部稳定的影响，同时通过参数分析结果对截面中的加劲和非加劲板件提出了受压临界宽厚比建议取值，并给出了建议有效宽度法公式以及直接强度法公式。 （3）对于不锈钢构件的整体稳定问题，首先对试验采用的不锈钢试件的几何初始缺陷进行了测量。然后对22个工字形和12个箱形截面不锈钢试件进行了轴心加载试验，试件均发生了整体失稳，个别绕强轴失稳的工字形构件出现了部分扭转的现象。采用经试验验证的有限元方法对不锈钢轴心受压构件的整体稳定性进行参数分析。参数分析过程中确定了构件几何初始缺陷、截面残余应力、材料力学性能、截面宽厚比以及长细比对对构件的整体稳定承载力有影响。通过对参数分析结果提出了柱子曲线并提出了三段式计算方法。 本项目通过试验研究结合有限元参数分析的方法对不锈钢构件的截面残余应力分布、构件的局部稳定以及整体稳定问题进行了研究。得到的结论均进行了试验以及当前不锈钢规范的验证，验证结果表明此结论可对不锈钢构件的局部稳定、整体稳定承载力有更好的预测，并可对当前规范进行补充和修正。 2100433B

本项目结合国内外不锈钢结构最新发展，深入研究不锈钢轴心受压构件稳定性承载性能，建立能够准确模拟构件几何初始缺陷和残余应力的数值模型，研究材料类型、截面形式、板件宽厚比、焊缝类型、板件切割工艺等因素的影响。结合不锈钢材性试验、截面残余应力测量和足尺试件轴心加载试验，提出不锈钢轴心受压钢柱局部稳定和整体稳定承载力与初始缺陷之间的定量关系，建立局部稳定和整体稳定承载性能的完整设计计算方法，提出柱子曲线（针对整体稳定）。本项目申请人长期从事钢结构研究工作，研究成果对于完善现行不锈钢结构设计方法和理论、确保不锈钢结构安全性、促进不锈钢结构的实际工程应用具有重要意义，同时可以推动我国不锈钢结构规范、规程的编制。该项目研究对于我国可持续发展战略、保护环境基本国策以及十二五规划降低能耗发展目标的实现，都具有前瞻性理论意义和工程应用价值。

轴心轨迹图有原始、提纯、平均、一倍频、二倍频、0.5倍频等多种轴心轨迹，主要看提纯、一倍频、二倍频的轴心轨迹图。这是因为转子振动信号中不可避免地包含了噪声、电磁信号干扰等超高次谐波分量，使得轴心轨迹的形状变得十分复杂，有时甚至是非常地混乱。而提纯的轴心轨迹排除了噪声和电磁干扰等超高次谐波信号的影响，突出了工频、0.5倍频、二倍频等主要因素，便于清晰地看到问题的本质；一倍频轴心轨迹则可以更合理地看出轴承的间隙及刚度是否存在问题，因为不平衡量引起的工频振动是一个弓状回转涡动，工频的轴心轨迹就应该是一个圆或长短轴相差不大的椭圆，而如果轴承间隙或刚度存在方向上的较大差异，那么工频的轴心轨迹就会变成一个很扁、很扁的椭圆，从而把同为工频的不平衡故障和轴承间隙或刚度差异过大很简便地区别开来；二倍频轴心轨迹则可以看出严重不对中时的影响方向等。

通过轴心轨迹图，还可以判断转子的涡动是正进动、还是反进动。

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一、偏心受压构件的破坏特征

许多偏心受压短柱试验表明，当相对偏心距较大，且受拉钢筋配筋率较小时，偏心受压构件的破坏是由于受拉钢筋首先达到屈服强度而导致受压混凝土压碎，这一破坏称为大偏心受压破坏。其临近破坏时有明显的征兆，横向裂缝开展显著，构件的承载力取决于受拉钢筋的强度和数量。

当相对偏心距较小，或虽然相对偏心距较大，但构件配置的受拉钢筋较多时，就有可能首先使受压区混凝土先被压碎。在通常情况下，靠近轴力作用一侧的混凝土先被压坏，受压钢筋的应力也能达到抗压设计强度；而离轴向力较远一侧的钢筋仍可能受拉但并未达到屈服，但也可能仍处于受压状态。临破坏时，受压区高度略有增加，破坏时无明显预兆。这种破坏属于小偏心受压破坏。

上述二种破坏形态可由相对受压区高度来界定。如偏心受压构件的截面(矩形)应变分布，其中ab线表示在大偏心受压状态下的截面应变状态。随着纵向压力的偏心矩减小或受拉钢筋配筋率的增加，在破坏时形成ac所示的应变分布状态，即当受拉钢筋达到屈服应变ey时，受压边缘混凝土也刚好达到极限压应变值ehmax=0．003，这就是界限状态。若偏心距进一步减小或受拉钢筋配筋量进一步增大，则截面破坏时将形成ab所示的受拉钢筋达不到屈服的小偏心受压状态。

当进入全截面受压状态后，混凝土受压较大一侧的边缘极限压应变将随着纵向压力N的偏心距减小而逐步下降，其截面应变分布如(ae和a"f所示顺序变化，在变化的过程中，受压边缘的极限压应变将由o．003逐步下降到接近轴心受压时的0．002。

以上分析表明，可用受压区界限高度xjg或受压区高度界限系数乙来判别两种不同偏心受压的破坏形态：

当ζ≤ζjg时，截面为大偏心受压破坏；

当ζ>ζjg时，截面为小偏心受压破坏。

偏心受压构件是弯矩(M)和轴压力(N)共同作用的构件，由于M和N对构件的作用，彼此是相互影响、相互牵制的。例如小偏压构件，增加轴压力将会使构件的抗弯能力减小；但大偏压时，轴压力的增加，却会使构件的抗弯能力提高；在界限状态时，一般可使偏压构件抵抗弯矩的能力达到最大值。