冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱有效寬度法和直接強度法計算對比①

摘 要:對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力分別用中國規范(GB50018-2002)中的有效寬度法和美國規范AISI S100-2007附錄中的直接強度法(DSM)進行了穩定承載力計算。計算結果表明:采用0.85的直接強度法可以有效預測冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩定承載力，與GB50018-2002中的有效寬度法計算結果吻合較好，可供修訂規范和設計時參考。

關鍵詞:冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱有效寬度法直接強度法

中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0019-02

冷彎薄壁型鋼作為一種高效、經濟、環保型建筑材料，具有截面形狀合理、力學性能良好、鋼材利用率高等特點，隨著我國鋼產量的不斷增加，以及國家對于鋼結構住宅產業的大力扶持，冷彎薄壁型鋼住宅體系在國內蓬勃的發展，在建筑行業尤其是輕鋼房屋建設中得到日益廣泛的應用。冷彎薄壁卷邊槽鋼是冷彎薄壁型鋼住宅中的常用構件之一，由于受初始缺陷、長細比、材料特性等諸多因素影響，使得冷彎薄壁卷邊槽鋼受壓構件的極限承載力理論計算比較復雜，國內外學者主要采用試驗和有限元方法對其進行研究［1-3］，但也提出了許多簡化的實用設計方法。簡化設計方法中，有效寬度法應用最普遍，己成為各國設計規范的基礎［4］。但是，由于有效寬度是截面應力分布的函數，而應力分布又與截面幾何特征有關，使得有效寬度設計方法實際上是一個迭代過程，工程設計者對迭代方法難以接受。近年來，美國Schafer和Pekoz［5］提出了直接強度法，與有效寬度法相比，直接強度法是全截面采用有效應力設計板件，且考慮板件局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲相關影響。目前，該方法已經被大量的試驗數據所證實，并已被列入北美規范NAS 2004［6］中，大有取代有效寬度法的趨勢［7］。但直接強度法需要依賴有限條或有限元程序計算構件全截面的局部屈曲和畸變屈曲臨界應力，尚無簡單的解析方法，導致了計算上的不方便。本文對冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力分別用中國規范(GB50018-2002)中的有效寬度法和北美規范AISI S100-2007附錄中的直接強度法(DSM)進行了穩定承載力計算和分析。

1 計算構件概況

構件材料為Q235，截面為C100×50×15，厚度分別為1.0mm、1.2mm、1.5mm、2.0mm和2.5mm，長度為900mm，兩端約束為鉸接，構件截面參數見表1。

2 各國設計規范的規定

2.1 中國規范(GB50018-2002)的規定［8］

當(1a)

當(1b)

當 (1c)

計算系數，壓應力分布不均勻系數，板件受壓區寬度

腹板:(2a)

翼緣:(2b)

受壓板件的板組約束系數:

(3a)

(3b)

(3c)

軸心受壓構件的穩定承載力:(4)

2.2 美國規范AISI S100-2007的規定［9］

整體屈曲:

當 (5a)

當 (5b)

(5c)

(5d)

整體屈曲臨界應力

局部屈曲:

當 (6a)

當(6b)

(6c)

局部屈曲臨界應力

畸變屈曲:

當(7a)

當 (7b)

(7c)

畸變屈曲臨界應力

軸心受壓構件的穩定承載力:(8)

3 計算結果分析

對于計算構件來說，GB50018-2002中的有效寬度法和0.85的直接強度法(DSM)所得計算結果比值均在1.0左右，誤差在8%以內。兩個規范下穩定承載力計算結果對比見表2。

4 結語

計算結果表明:采用0.85的直接強度法可以有效預測冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱穩定承載力，與GB50018-2002中的有效寬度法計算結果吻合較好，可供修訂規范和設計時參考。

參考文獻

[1]Young B，Yan J．Channel columns undergoing local，distortional，and overall buckling[J].ournal of Structural Engineering，2002，128(6):728-736．

[2]Narayanan S，Mahendran M．Ultimate capacity of innovative cold-formed steel columns[J].Journal of Constructional Steel Research，2003，59:489-508．

[3]王春剛，張耀春，張壯南．冷彎薄壁斜卷邊槽鋼受壓構件的承載力試驗研究[J].建筑結構學報，2006，27(3):1-9．

[4]Yu W W．Cold-formed steel design[M].3rd Ed．New York:John Wiley＆Sons，Inc．，2000．

[5]Schafer B，Pekoz T．Laterally braced cold formed steel flexural members with edge stiffened elements[J].Journal of Structural Engineering，1999，125(2):118-127．

[6]NAS 2004 Design of cold-formed steel structural members using the direct strength method:Appendix 1[S].

[7]Gregory J H，Thomas M M，Duane S E．Cold-formed steel structures to the AISI specification[M].New York:Marcel Dekker，Inc．，2001．

[8]冷彎薄壁型鋼結構技術規范(GB50018-2002)[S].北京:中國計劃出版社，2002．

[9]AISI S100-2007. North American speci?cation for the design of cold-formedsteel members[S]. American Iron and Steel Institute， 2007.