开孔冷弯薄壁型钢柱畸变与整体耦合屈曲机理及设计理论研究

Cold-formed thin-walled steel columns may undergo local buckling, distortional buckling, global buckling and coupling buckling in compression. In order to accommodate plumbing, electrical, and heating conduits in cold-formed thin-walled steel structures, the holes are pre-punched in the web of lipped channel section. The distortional and global coupling buckling generation mechanism and bearing capacity design theory for open-hole column are the key issues in cold-formed thin-walled steel structural member. To overcome these problems, the distortional and global coupling buckling failure modes and load capacities of the columns with perforation will be shown by experiment, then analysis the distortional and global coupling buckling generation mechanism. On the basis of experiment verification, the distortional and global coupling buckling analysis model will be constructed, and parametric analysis will be performed for cold-formed thin-walled steel lipped channel section columns with holes. An elastic distortional buckling prediction formula for open-hole column will be derived by theoretical research. A suggested distortional and global coupling buckling bearing capacity design theory for cold-formed thin-walled steel columns with holes will be proposed by the existing formula of solid web section according to the experiment data and the results of finite element parametric analysis. The results from the project can be applied to improve the cold-formed thin-walled steel structural using in low-rise building. The proposed related theory will be very useful for revising “Technical code of cold-formed thin-walled steel structures” in the future.

冷弯薄壁型钢柱在压力作用下，常发生局部屈曲、畸变屈曲、整体屈曲及耦合屈曲失效。工程中，为方便水管、电线和暖气管道在轻钢建筑结构中通过，常在柱腹板中预先布设孔洞。开孔柱畸变与整体耦合屈曲产生机理及承载力设计理论是轻型钢结构领域亟待解决的关键问题。本项目以解决上述问题为目标，通过试验获取开孔柱畸变与整体耦合屈曲失效模式及承载力，从试验观察到的现象及获取的数据分析畸变与整体耦合屈曲产生机理。基于试验验证的基础上，建立畸变与整体耦合屈曲分析模型，并进行参数分析；采用理论研究方法推导出开孔柱弹性畸变屈曲应力计算公式；对现有规范中实腹式截面柱基于直接强度法的承载力设计理论进行分析，结合本项目研究试验数据和有限元参数分析结果，提出开孔柱构件考虑畸变与整体耦合屈曲的承载力设计理论。项目研究成果将有助于轻型钢结构在低层住宅中的应用，提出的相关理论可以为今后我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的修订提供参考。

屈曲是冷弯薄壁型钢结构研究的重要课题，而开孔构件畸变与整体相关屈曲问题又是亟待解决的关键问题之一。本项目采用试验、理论推导和有限元分析等手段，对开孔与未开孔冷弯薄壁型钢构件的畸变与整体相关屈曲进行了研究。基于试验探索了柱构件畸变屈曲产生的机理，获取了该类型构件的屈曲失效模式、极限承载力和变形发展过程，为有限元及后续的理论分析提供了验证数据。指出了现有设计方法中未考虑畸变与整体相关屈曲所存在的某些不足之处，基于此类问题系统研究了冷弯薄壁型钢构件的受压力学性能，提出了考虑畸变与整体相关屈曲的直接强度法设计公式。针对弹性畸变屈曲应力公式计算过程较繁琐，经过理论推导给出了无需迭代的转动约束刚度建议公式以用于弹性畸变屈曲应力的计算。在实腹式截面承载力计算方法的基础上，结合试验和有限元数值分析结果，给出了开孔冷弯薄壁型钢柱畸变与整体相关屈曲承载力设计方法。对偏心受压的冷弯薄壁型钢构件的畸变和整体相关屈曲承载力进行了试验和理论研究，指出偏心受压状态对构件的变形和承载力均处于不利的影响。.为综合评估冷弯薄壁型钢柱的相关屈曲，本项目借鉴了一种分析柱构件相关屈曲的方法——临界分叉荷载侵蚀理论，该方法考虑了试件在截面屈曲（局部屈曲或畸变屈曲）和整体屈曲（弯曲屈曲、扭转屈曲或弯扭屈曲）相互作用下的极限承载力，通过评估、量化构件的侵蚀因子（ψ）和缺陷因子（α）使Ayrton-Perry方程表示的屈曲曲线适用于冷弯薄壁型钢构件的相关屈曲分析。利用此理论对我国既有的部分冷弯薄壁型钢柱试验数据和有限元分析结果进行了处理，提出了对应的相关屈曲曲线。.项目的研究成果将有助于轻型钢结构在低层住宅中的应用，提出的开孔构件直接强度设计方法和弹性屈曲应力计算公式可以为今后我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的修订提供参考。