四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓性能：理論、試驗(yàn)與數(shù)值分析一、引言1.1研究背景與目的隨著現(xiàn)代建筑和橋梁建設(shè)的蓬勃發(fā)展，輕鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)體系，正逐漸在各類工程中得到廣泛應(yīng)用。輕鋼結(jié)構(gòu)憑借其自身的諸多優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。在過(guò)去的幾十年間，輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍不斷拓展，從工業(yè)廠房到商業(yè)建筑，從公共設(shè)施到住宅建設(shè)，都能看到其身影。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑市場(chǎng)中的份額逐年上升，如美國(guó)、日本等國(guó)家，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑在新建建筑中的占比已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的比例。在國(guó)內(nèi)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，輕鋼結(jié)構(gòu)也迎來(lái)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。越來(lái)越多的大型建筑項(xiàng)目采用輕鋼結(jié)構(gòu)，不僅提高了建筑的施工效率，還降低了建筑成本，同時(shí)也為建筑設(shè)計(jì)提供了更多的可能性。冷彎薄壁型鋼材作為輕鋼結(jié)構(gòu)中常用的構(gòu)件材料之一，具有眾多顯著優(yōu)點(diǎn)。其重量輕，這使得在建筑施工過(guò)程中，材料的運(yùn)輸和安裝更加便捷，大大降低了施工難度和成本。同時(shí)，冷彎薄壁型鋼材強(qiáng)度高，能夠滿足各種建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，為建筑的安全性提供了可靠保障。此外，冷彎薄壁型鋼材成本低，與傳統(tǒng)的建筑材料相比，能夠有效降低建筑的造價(jià)，提高建筑項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。其施工方便的特點(diǎn)也備受青睞，可預(yù)先在工廠加工成型，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速組裝，大大縮短了施工周期，提高了施工效率。冷彎薄壁型鋼材的應(yīng)用，使得輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更加突出，為建筑行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何提高立柱的承載能力，成為了一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。立柱作為建筑結(jié)構(gòu)中的重要承重構(gòu)件，其承載能力的大小直接關(guān)系到整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在一些大型建筑項(xiàng)目中，由于對(duì)建筑空間和功能的要求不斷提高，傳統(tǒng)的單肢冷彎薄壁型鋼截面立柱在承載能力方面往往難以滿足實(shí)際需求。當(dāng)建筑的層數(shù)增加或者跨度增大時(shí)，單肢立柱可能會(huì)出現(xiàn)變形過(guò)大、承載能力不足等問(wèn)題，從而影響建筑的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。為了提高冷彎薄壁型鋼材的軸壓承載能力，一些學(xué)者采用了加強(qiáng)構(gòu)造、加大鋼材厚度等方法。然而，這些方法雖然在一定程度上能夠提高立柱的承載能力，但也帶來(lái)了一些負(fù)面影響。加強(qiáng)構(gòu)造和加大鋼材厚度容易增加結(jié)構(gòu)的重量，使得建筑的基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)加重，增加了基礎(chǔ)建設(shè)的成本和難度。而且，重量的增加還可能對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生不利影響，降低建筑在地震等自然災(zāi)害中的安全性。這些方法還會(huì)增加材料成本，使得建筑項(xiàng)目的總體造價(jià)上升，同時(shí)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工也帶來(lái)了一定的困難，延長(zhǎng)了施工周期。因此，尋求一種既能有效提高立柱承載能力，又能避免增加過(guò)多重量和成本的方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。四肢拼合的結(jié)構(gòu)形式為解決這一問(wèn)題提供了新的思路。將四根薄壁鋼管拼合而成的四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和組合，可以充分發(fā)揮冷彎薄壁型鋼材的性能優(yōu)勢(shì)，提高立柱的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的單肢立柱相比，四肢拼合立柱在受力性能上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地承受軸向壓力和其他荷載的作用。本文正是基于這樣的背景，采用四肢拼合的結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，對(duì)冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力性能進(jìn)行深入研究。旨在通過(guò)本研究，揭示四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱在軸壓作用下的受力機(jī)理和破壞模式，明確其軸壓承載力的影響因素，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持，推動(dòng)輕鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量工作，取得了一系列重要成果。國(guó)外方面，北美AISI標(biāo)準(zhǔn)以及澳洲AS/NZS標(biāo)準(zhǔn)均針對(duì)雙肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的計(jì)算，規(guī)定采用修正長(zhǎng)細(xì)比的方法，為該類構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。學(xué)者PetersGK通過(guò)深入研究C形和U形構(gòu)件組成的拼合截面立柱的受壓性能，明確指出螺釘間距對(duì)雙肢拼合柱受力性能影響顯著。StoneTA對(duì)由兩個(gè)C形冷彎薄壁型鋼連接而成的工字形型截面立柱展開(kāi)軸壓性能試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與北美AISI標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)的適用性和局限性。WhittleJ的研究則表明，北美AISI標(biāo)準(zhǔn)修正長(zhǎng)細(xì)比的設(shè)計(jì)方法對(duì)于雙肢面對(duì)面拼合截面柱軸壓承載力的計(jì)算存在一定的偏差，需要進(jìn)一步改進(jìn)。國(guó)內(nèi)的研究同樣成果豐碩。王群對(duì)開(kāi)口雙肢冷彎薄壁型鋼拼合截面立柱軸壓性能進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究和理論分析，發(fā)現(xiàn)采用我國(guó)《冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50018—2022）和北美AISI標(biāo)準(zhǔn)中的有效寬度法計(jì)算開(kāi)口雙肢冷彎薄壁型鋼拼合截面立柱的穩(wěn)定承載力時(shí)，結(jié)果偏于保守。李國(guó)強(qiáng)等學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和有限元模擬，對(duì)冷彎薄壁型鋼軸壓構(gòu)件的受力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，深入分析了構(gòu)件的屈曲模式、極限承載力等關(guān)鍵參數(shù)。然而，現(xiàn)有研究主要集中在單根或雙肢拼合冷彎薄壁型鋼截面構(gòu)件，對(duì)于復(fù)雜多肢拼合截面軸壓立柱，尤其是四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的受力性能研究相對(duì)較少。雖然有部分研究涉及到多肢拼合截面立柱，但在研究的深度和廣度上仍存在不足。在試驗(yàn)研究方面，試件的數(shù)量和種類不夠豐富，無(wú)法全面反映四肢拼合截面立柱在各種工況下的受力性能；在理論分析方面，現(xiàn)有的計(jì)算方法大多是基于單肢或雙肢構(gòu)件的理論，對(duì)于四肢拼合這種復(fù)雜截面形式的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證；在數(shù)值模擬方面，模型的準(zhǔn)確性和可靠性還需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，且對(duì)影響軸壓承載力的各種因素的分析不夠全面和深入。針對(duì)當(dāng)前研究的不足，本文將聚焦于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力性能的研究。通過(guò)開(kāi)展全面的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并制作多種不同參數(shù)的試件，系統(tǒng)地分析構(gòu)件在軸壓作用下的破壞模式、荷載-位移曲線等關(guān)鍵指標(biāo)；運(yùn)用先進(jìn)的有限元模擬技術(shù)，建立高精度的數(shù)值模型，深入研究長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等因素對(duì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的影響規(guī)律；結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的理論計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)，提出更加準(zhǔn)確、適用的四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力計(jì)算方法，為該類構(gòu)件在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為全面深入地研究四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力性能，本文采用了理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜合性研究方法。理論分析方面，依據(jù)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)立柱在軸壓作用下的受力狀況展開(kāi)深入剖析。明確立柱在軸向壓力作用下所產(chǎn)生的彎曲變形和剪切變形的原理，并運(yùn)用相應(yīng)的公式進(jìn)行量化分析。通過(guò)對(duì)Euler理論的深入研究，結(jié)合四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的具體特性，推導(dǎo)出適用于該立柱的軸壓承載力計(jì)算公式。在推導(dǎo)過(guò)程中，充分考慮材料彈性模量、截面慣性矩、立柱長(zhǎng)度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)軸壓承載力的影響，為后續(xù)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，在分析彎曲變形時(shí)，依據(jù)彎曲理論，精準(zhǔn)地推導(dǎo)出彎曲變形距離的計(jì)算公式，為理解立柱在軸壓作用下的變形行為提供了重要的理論依據(jù)。試驗(yàn)研究環(huán)節(jié)，精心設(shè)計(jì)并制作了一系列不同參數(shù)的四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱試件。這些試件涵蓋了不同的長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等關(guān)鍵參數(shù)，以全面探究各因素對(duì)軸壓承載力的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，運(yùn)用高精度的測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)確測(cè)量試件在加載過(guò)程中的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，深入了解立柱的破壞模式和受力性能。例如，在試驗(yàn)中，對(duì)每一個(gè)試件的加載過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄下每一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了豐富而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)理論不同的現(xiàn)象，為進(jìn)一步完善理論分析提供了實(shí)踐依據(jù)。數(shù)值模擬則借助先進(jìn)的有限元分析軟件，建立了高精度的四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱有限元模型。在建模過(guò)程中，充分考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜因素，確保模型能夠真實(shí)準(zhǔn)確地模擬立柱在軸壓作用下的力學(xué)行為。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算和分析，系統(tǒng)研究長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等因素對(duì)軸壓承載力的影響規(guī)律。與試驗(yàn)研究相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。例如，在數(shù)值模擬中，通過(guò)改變模型的參數(shù)，如長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距等，觀察模型的受力和變形情況，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性，同時(shí)也為實(shí)際工程應(yīng)用提供了更具參考價(jià)值的依據(jù)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一是采用多方法綜合分析，將理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬有機(jī)結(jié)合，從不同角度深入探究四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力性能。這種多方法協(xié)同的研究方式，能夠充分發(fā)揮各種方法的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一方法的不足，為該領(lǐng)域的研究提供了更加全面、深入的視角。通過(guò)理論分析明確立柱的受力機(jī)理和基本計(jì)算公式，試驗(yàn)研究獲取真實(shí)的受力性能數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬則對(duì)各種復(fù)雜工況進(jìn)行深入分析，三者相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，大大提高了研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。二是全面考慮多種因素對(duì)軸壓承載力的影響，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的變參數(shù)分析，系統(tǒng)研究長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等多個(gè)因素對(duì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的影響規(guī)律。這種全面的因素分析，有助于深入了解立柱的力學(xué)性能，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些影響規(guī)律，合理選擇立柱的參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。二、四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱結(jié)構(gòu)形式2.1基本構(gòu)造四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱主要由四根薄壁鋼管通過(guò)特定方式拼合而成（如圖1所示）。每根薄壁鋼管通常采用優(yōu)質(zhì)的冷彎薄壁型鋼，其厚度一般在1.5-3mm之間，這一厚度范圍既保證了鋼材具有良好的冷彎成型性能，又能滿足結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基本要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常見(jiàn)的鋼管截面形狀有矩形和方形，其中矩形截面的長(zhǎng)和寬尺寸根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求而定，一般長(zhǎng)為40-80mm，寬為20-40mm；方形截面的邊長(zhǎng)則多在30-60mm之間。這些尺寸的選擇是基于對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能、材料成本以及施工便利性等多方面因素的綜合考慮。例如，在一些對(duì)空間要求較高的建筑項(xiàng)目中，采用較小尺寸的方形截面鋼管可以在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，有效減少立柱所占空間，提高空間利用率；而在一些對(duì)承載能力要求較高的工業(yè)建筑中，則可能會(huì)選擇較大尺寸的矩形截面鋼管，以滿足結(jié)構(gòu)對(duì)軸壓承載力的需求。[此處插入四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱結(jié)構(gòu)示意圖]圖1四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱結(jié)構(gòu)示意圖四根薄壁鋼管通過(guò)連接件進(jìn)行連接，常見(jiàn)的連接件為高強(qiáng)度自攻螺釘，其直徑一般為4-6mm。在連接過(guò)程中，自攻螺釘沿鋼管的長(zhǎng)度方向按一定間距布置，間距通常在100-200mm之間。這一間距的設(shè)置至關(guān)重要，過(guò)小的間距會(huì)增加連接件的使用數(shù)量，提高成本，同時(shí)可能會(huì)對(duì)鋼管的截面造成過(guò)多削弱，影響結(jié)構(gòu)性能；過(guò)大的間距則可能導(dǎo)致鋼管之間的連接不夠緊密，在受力過(guò)程中容易出現(xiàn)相對(duì)滑移，降低立柱的整體承載能力。合理的螺釘間距能夠確保鋼管之間協(xié)同工作，使立柱在承受軸向壓力時(shí)，四根鋼管能夠共同承擔(dān)荷載，充分發(fā)揮四肢拼合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。例如，在一項(xiàng)實(shí)際工程中，通過(guò)對(duì)不同螺釘間距的立柱進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺釘間距為150mm時(shí)，立柱的軸壓承載力達(dá)到最佳狀態(tài)，鋼管之間的協(xié)同工作效果良好，變形協(xié)調(diào)一致。為了進(jìn)一步增強(qiáng)立柱的整體穩(wěn)定性和承載能力，在四根鋼管拼合形成的中心區(qū)域，可以設(shè)置加勁肋。加勁肋一般采用厚度為2-3mm的鋼板，其形狀和尺寸根據(jù)立柱的具體設(shè)計(jì)要求而定。常見(jiàn)的加勁肋形狀有十字形和井字形，十字形加勁肋能夠在兩個(gè)相互垂直的方向上提高立柱的抗彎剛度，有效抑制鋼管在受力過(guò)程中的局部屈曲；井字形加勁肋則能在更廣泛的方向上提供支撐，進(jìn)一步增強(qiáng)立柱的穩(wěn)定性，尤其適用于承受復(fù)雜荷載作用的立柱。加勁肋的設(shè)置位置通常在立柱的中部以及兩端，在這些關(guān)鍵部位，加勁肋能夠最大程度地發(fā)揮其增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能的作用。例如，在某橋梁工程中，對(duì)設(shè)置了十字形加勁肋和未設(shè)置加勁肋的立柱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)置加勁肋的立柱在軸壓作用下，其極限承載力提高了約20%，變形明顯減小，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到了顯著提升。2.2常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱憑借其優(yōu)異的性能，在建筑和橋梁等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域，多層商業(yè)建筑中，由于內(nèi)部空間需要靈活布局，對(duì)柱子的承載能力和空間占用有較高要求。四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱因其較高的軸壓承載力，能夠有效支撐建筑物的上部荷載，同時(shí)其較輕的重量也減輕了基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，降低了建筑成本。而且，其較小的截面尺寸可以減少對(duì)室內(nèi)空間的占用，提高空間利用率，滿足商業(yè)建筑對(duì)空間的多樣化需求。在某城市的商業(yè)綜合體項(xiàng)目中，采用了四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)立柱相比，不僅節(jié)省了約20%的鋼材用量，還增加了約5%的室內(nèi)使用面積，經(jīng)濟(jì)效益和空間利用效果顯著提升。在工業(yè)廠房中，通常需要較大的跨度和較高的凈空，以滿足生產(chǎn)設(shè)備的安裝和運(yùn)行需求。四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱能夠承受較大的軸向壓力，為廠房提供穩(wěn)定的支撐，確保廠房在各種荷載作用下的安全性。同時(shí)，其施工方便的特點(diǎn)可以大大縮短施工周期，使廠房能夠盡快投入使用，提高生產(chǎn)效率。例如，某汽車制造工廠的新建廠房采用了四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，施工周期較傳統(tǒng)建筑方式縮短了約30%，提前實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的安裝和投產(chǎn)，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在橋梁工程方面，城市高架橋的建設(shè)需要考慮到結(jié)構(gòu)的輕量化和承載能力的平衡。四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱可以作為高架橋的橋墩，其重量輕的特點(diǎn)可以減少橋梁結(jié)構(gòu)的自重，降低對(duì)基礎(chǔ)的要求，同時(shí)其良好的軸壓承載力能夠保證高架橋在車輛荷載和其他外力作用下的穩(wěn)定性。在某城市的高架橋項(xiàng)目中，使用四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱作為橋墩，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用和監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，有效保障了交通的順暢運(yùn)行。在一些小型橋梁中，由于建設(shè)條件和成本的限制，需要一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱成本低、施工方便的優(yōu)勢(shì)使其成為小型橋梁建設(shè)的理想選擇。其可以根據(jù)橋梁的跨度和荷載要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，確保橋梁的安全性和可靠性。比如，某鄉(xiāng)村的小型橋梁采用四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱進(jìn)行建造，在滿足當(dāng)?shù)亟煌ㄐ枨蟮耐瑫r(shí)，大大降低了建設(shè)成本，且施工過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，受到了當(dāng)?shù)鼐用竦暮迷u(píng)。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，軸壓承載力起著至關(guān)重要的作用。軸壓承載力直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。如果立柱的軸壓承載力不足，在承受軸向壓力時(shí)，立柱可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，造成嚴(yán)重的安全事故。在建筑和橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確計(jì)算和評(píng)估四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軸壓承載力還影響著結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。合理設(shè)計(jì)立柱的軸壓承載力，可以在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和材料用量，降低建筑和橋梁的建設(shè)成本。通過(guò)對(duì)軸壓承載力的研究和優(yōu)化，可以選擇合適的鋼材型號(hào)、截面尺寸和連接方式，使立柱在滿足承載要求的同時(shí)，最大限度地節(jié)省材料和成本。三、軸壓承載力理論計(jì)算3.1受力狀況分析當(dāng)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱受到軸向壓力作用時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力和變形情況較為復(fù)雜，主要產(chǎn)生彎曲變形和剪切變形，這兩種變形對(duì)軸壓承載力有著顯著影響。在軸向壓力作用下，立柱會(huì)發(fā)生彎曲變形（如圖2所示）。設(shè)彎曲變形距離為\delta，根據(jù)材料力學(xué)中的彎曲理論，彎曲變形距離\delta可表示為：\delta=\frac{P\timesL^2}{4\timesE\timesI}其中，P為立柱所承受的軸向壓力，L為立柱的長(zhǎng)度，E為材料的彈性模量，它反映了材料抵抗彈性變形的能力，不同的鋼材彈性模量有所差異，對(duì)于常見(jiàn)的Q235鋼材，其彈性模量約為2.06×10^5MPa；I為立柱的截面慣性矩，它與截面的形狀和尺寸密切相關(guān)，截面慣性矩越大，說(shuō)明截面抵抗彎曲變形的能力越強(qiáng)。以矩形截面為例，其截面慣性矩I=\frac{bh^3}{12}，其中b為矩形截面的寬度，h為矩形截面的高度。彎曲變形會(huì)使立柱的軸線偏離原來(lái)的直線位置，從而在立柱內(nèi)部產(chǎn)生附加彎矩，附加彎矩的存在會(huì)進(jìn)一步增大立柱所承受的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，立柱就可能發(fā)生破壞。例如，在某實(shí)際工程中，由于立柱的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，在軸向壓力作用下產(chǎn)生了較大的彎曲變形，導(dǎo)致立柱內(nèi)部的附加彎矩過(guò)大，最終立柱在未達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)就發(fā)生了破壞。[此處插入立柱彎曲變形示意圖]圖2立柱彎曲變形示意圖同時(shí)，立柱在軸向壓力作用下還會(huì)發(fā)生剪切變形（如圖3所示）。對(duì)于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，剪切變形主要集中出現(xiàn)在立柱底部。剪切變形變化量可表示為：\delta_s=\frac{P\timesL}{4\timesG\timesA}其中，G為材料的剪切模量，它是材料的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)，反映了材料抵抗剪切變形的能力，對(duì)于Q235鋼材，其剪切模量約為8.1×10^4MPa；A為立柱的截面面積，它是衡量立柱承載能力的一個(gè)重要參數(shù)，截面面積越大，立柱能夠承受的剪力就越大。剪切變形會(huì)導(dǎo)致立柱截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，使立柱的內(nèi)部應(yīng)力分布更加不均勻，降低立柱的承載能力。在一些地震頻發(fā)地區(qū)的建筑中，由于地震作用會(huì)產(chǎn)生較大的剪力，立柱的剪切變形可能會(huì)導(dǎo)致其連接部位松動(dòng)，從而影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。[此處插入立柱剪切變形示意圖]圖3立柱剪切變形示意圖彎曲變形和剪切變形并非孤立存在，而是相互影響、相互耦合的。彎曲變形會(huì)使立柱產(chǎn)生附加剪力，從而加劇剪切變形；而剪切變形也會(huì)對(duì)立柱的彎曲剛度產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變彎曲變形的大小。在實(shí)際工程中，這種相互作用使得立柱的受力情況更加復(fù)雜，準(zhǔn)確分析和考慮這兩種變形的影響，對(duì)于精確計(jì)算四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)某大型橋梁的橋墩時(shí)，就充分考慮了立柱的彎曲變形和剪切變形的相互作用，通過(guò)合理設(shè)計(jì)立柱的截面尺寸和連接方式，有效提高了橋墩的承載能力和抗震性能，確保了橋梁在各種荷載作用下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。3.2彎曲變形計(jì)算如前文所述，在軸向壓力作用下，立柱會(huì)發(fā)生彎曲變形。彎曲變形距離\delta的計(jì)算公式為：\delta=\frac{P\timesL^2}{4\timesE\timesI}在這個(gè)公式中，各參數(shù)具有明確的物理意義和計(jì)算方法。P代表立柱所承受的軸向壓力，它是使立柱產(chǎn)生彎曲變形的主要外力，其數(shù)值大小直接影響彎曲變形的程度。在實(shí)際工程中，軸向壓力P可通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力分析和荷載傳遞路徑來(lái)確定。在一個(gè)簡(jiǎn)單的框架結(jié)構(gòu)中，可通過(guò)對(duì)梁、板等構(gòu)件傳來(lái)的荷載進(jìn)行計(jì)算，從而得到立柱所承受的軸向壓力。L為立柱的長(zhǎng)度，它是影響彎曲變形的重要因素之一，立柱越長(zhǎng)，在相同軸向壓力作用下，彎曲變形就越大。L的取值通常根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際尺寸來(lái)確定，在設(shè)計(jì)圖紙中會(huì)明確給出立柱的長(zhǎng)度。E是材料的彈性模量，它反映了材料抵抗彈性變形的能力，是材料的固有屬性。不同類型的鋼材，其彈性模量有所差異。對(duì)于常見(jiàn)的Q235鋼材，其彈性模量約為2.06×10^5MPa。在實(shí)際計(jì)算中，若使用的是其他型號(hào)的鋼材，可通過(guò)查閱相關(guān)材料手冊(cè)或標(biāo)準(zhǔn)，獲取其準(zhǔn)確的彈性模量值。I為立柱的截面慣性矩，它與截面的形狀和尺寸密切相關(guān)，是衡量截面抵抗彎曲變形能力的重要參數(shù)。以矩形截面為例，其截面慣性矩I=\frac{bh^3}{12}，其中b為矩形截面的寬度，h為矩形截面的高度。在實(shí)際工程中，對(duì)于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，其截面形狀較為復(fù)雜，需要根據(jù)具體的截面尺寸和形狀，運(yùn)用相關(guān)的幾何知識(shí)和力學(xué)原理來(lái)計(jì)算截面慣性矩?？蓪⑺闹春辖孛娣纸鉃槎鄠€(gè)簡(jiǎn)單的幾何形狀，如矩形、三角形等，然后分別計(jì)算每個(gè)簡(jiǎn)單形狀的慣性矩，再根據(jù)慣性矩的疊加原理，得到整個(gè)截面的慣性矩。為了更直觀地理解彎曲變形計(jì)算，下面通過(guò)一個(gè)具體的算例進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)有一根四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，其承受的軸向壓力P為100kN，立柱長(zhǎng)度L為3m，采用Q235鋼材，彈性模量E為2.06×10^5MPa，截面慣性矩I通過(guò)計(jì)算得到為5×10^6mm^4。將這些數(shù)據(jù)代入彎曲變形距離公式：\delta=\frac{100×10^3×(3×10^3)^2}{4×2.06×10^5×5×10^6}≈2.23mm通過(guò)這個(gè)算例可以看出，通過(guò)已知的參數(shù)，運(yùn)用彎曲變形計(jì)算公式，能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出立柱在軸向壓力作用下的彎曲變形距離，為進(jìn)一步分析立柱的受力性能和軸壓承載力提供了重要的數(shù)據(jù)支持。3.3剪切變形計(jì)算如前文所述，立柱在軸向壓力作用下還會(huì)發(fā)生剪切變形，對(duì)于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，剪切變形主要集中出現(xiàn)在立柱底部。剪切變形變化量\delta_s可表示為：\delta_s=\frac{P\timesL}{4\timesG\timesA}公式中，G為材料的剪切模量，它是材料的固有屬性，反映了材料抵抗剪切變形的能力。對(duì)于常見(jiàn)的Q235鋼材，其剪切模量約為8.1×10^4MPa，不同的鋼材，其剪切模量會(huì)有所不同，在實(shí)際計(jì)算中，需根據(jù)所使用鋼材的具體型號(hào)，查閱相關(guān)資料獲取準(zhǔn)確的剪切模量值。A為立柱的截面面積，它是衡量立柱承載能力的重要參數(shù)，截面面積越大，立柱能夠承受的剪力就越大。對(duì)于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，其截面面積需根據(jù)具體的截面形狀和尺寸進(jìn)行計(jì)算。若立柱由四根相同的矩形截面鋼管拼合而成，假設(shè)每根鋼管的截面寬度為b，高度為h，則立柱的截面面積A=4bh。在實(shí)際工程中，立柱底部的剪切變形會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。當(dāng)剪切變形過(guò)大時(shí)，立柱底部可能會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而影響整個(gè)立柱的承載能力。在某高層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中，由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)立柱底部的剪切變形考慮不足，在建筑投入使用后，受到較大風(fēng)荷載作用時(shí)，立柱底部出現(xiàn)了明顯的剪切變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的傾斜，嚴(yán)重影響了建筑的安全性和正常使用。因此，在設(shè)計(jì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱時(shí)，必須充分考慮剪切變形的影響，合理設(shè)計(jì)立柱的截面尺寸和連接方式，以確保立柱在承受軸向壓力時(shí)，其底部的剪切變形在允許范圍內(nèi)，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。剪切變形還與軸向壓力P和立柱長(zhǎng)度L密切相關(guān)。軸向壓力P越大，剪切變形變化量\delta_s就越大；立柱長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，剪切變形變化量\delta_s也會(huì)相應(yīng)增大。在實(shí)際工程中，可通過(guò)調(diào)整立柱的長(zhǎng)度、選擇合適的材料以及優(yōu)化截面尺寸等方式，來(lái)控制剪切變形的大小。對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的立柱，可以適當(dāng)增加截面面積或提高材料的強(qiáng)度等級(jí)，以減小剪切變形；也可以在立柱底部設(shè)置加強(qiáng)措施，如增加加勁肋或采用更堅(jiān)固的連接方式，來(lái)提高立柱底部的抗剪切能力，從而有效降低剪切變形對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。3.4軸壓承載力公式推導(dǎo)基于Euler理論，當(dāng)立柱長(zhǎng)度小于或等于Euler臂長(zhǎng)時(shí)，立柱處于穩(wěn)定狀態(tài)；而當(dāng)立柱長(zhǎng)度大于Euler臂長(zhǎng)時(shí)，立柱會(huì)發(fā)生傾覆。因此，立柱的軸壓承載力可表示為：P_{cr}=\frac{\pi^2\timesE\timesI}{L^2}其中，P_{cr}為立柱的臨界軸向壓力，它是衡量立柱能夠承受的最大軸向壓力的關(guān)鍵指標(biāo)。E為材料彈性模量，如前文所述，它反映了材料抵抗彈性變形的能力，不同的鋼材彈性模量不同，對(duì)于常見(jiàn)的Q235鋼材，彈性模量約為2.06×10^5MPa，在實(shí)際工程中，準(zhǔn)確確定材料的彈性模量對(duì)于軸壓承載力的計(jì)算至關(guān)重要。I為立柱的截面慣性矩，它與截面的形狀和尺寸密切相關(guān)，是衡量截面抵抗彎曲變形能力的重要參數(shù)。對(duì)于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，其截面慣性矩的計(jì)算較為復(fù)雜，需要根據(jù)具體的截面形狀和尺寸，運(yùn)用相關(guān)的幾何知識(shí)和力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。L為立柱長(zhǎng)度，它是影響軸壓承載力的重要因素之一，立柱越長(zhǎng)，在相同條件下，軸壓承載力越低。在實(shí)際工程應(yīng)用中，該公式具有明確的物理意義。P_{cr}表示立柱在軸壓作用下能夠保持穩(wěn)定的臨界荷載，當(dāng)實(shí)際施加的軸向壓力小于P_{cr}時(shí)，立柱能夠正常工作，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞；當(dāng)軸向壓力達(dá)到或超過(guò)P_{cr}時(shí)，立柱會(huì)失去穩(wěn)定，發(fā)生破壞。公式中的各項(xiàng)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，共同影響著軸壓承載力的大小。彈性模量E越大，說(shuō)明材料抵抗彈性變形的能力越強(qiáng)，在相同的截面慣性矩和立柱長(zhǎng)度下，軸壓承載力P_{cr}就越大；截面慣性矩I越大，表明截面抵抗彎曲變形的能力越強(qiáng)，同樣能提高軸壓承載力；而立柱長(zhǎng)度L的增加則會(huì)導(dǎo)致軸壓承載力P_{cr}的降低。該公式的適用條件為理想彈性狀態(tài)下的細(xì)長(zhǎng)立柱。在實(shí)際工程中，立柱往往會(huì)受到各種因素的影響，如材料的非線性、幾何缺陷、初始應(yīng)力等，這些因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的軸壓承載力與理論計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差。在使用該公式時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚驼{(diào)整。對(duì)于存在材料非線性的情況，需要考慮材料的屈服強(qiáng)度和塑性變形等因素，對(duì)彈性模量進(jìn)行修正；對(duì)于有幾何缺陷的立柱，需要引入相應(yīng)的缺陷系數(shù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以確保軸壓承載力的計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，滿足工程實(shí)際需求。四、試驗(yàn)研究4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)為深入探究四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力性能，精心設(shè)計(jì)并開(kāi)展了軸壓試驗(yàn)。4.1.1試件設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作了10根四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱試件，試件的主要參數(shù)包括長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等。通過(guò)合理設(shè)置這些參數(shù)的變化，全面研究各因素對(duì)軸壓承載力的影響。試件的具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下表1所示：[此處插入試件參數(shù)表]表1試件參數(shù)表試件編號(hào)長(zhǎng)細(xì)比λ連接螺釘間距s（mm）截面翼緣寬厚比b/tS13010015S23015015S33020015S44010015S54015015S64020015S75010015S85015015S95020015S105015020試件采用Q235冷彎薄壁型鋼制作，每根薄壁鋼管的尺寸為40mm×20mm×2mm，通過(guò)高強(qiáng)度自攻螺釘將四根鋼管拼合在一起，形成四肢拼合截面。在試件制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量和尺寸精度，確保試件的一致性和可靠性。對(duì)每根鋼管的長(zhǎng)度、截面尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，誤差控制在±0.5mm以內(nèi)；自攻螺釘?shù)陌惭b位置和擰緊力矩也嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作，確保連接的牢固性。4.1.2加載方案試驗(yàn)加載采用分級(jí)加載制度，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。首先，進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)計(jì)極限荷載的10%，預(yù)加載的目的是檢查試驗(yàn)裝置的工作狀態(tài)是否正常，確保試件與加載設(shè)備之間的接觸良好，消除試件和加載系統(tǒng)的初始間隙。在預(yù)加載過(guò)程中，仔細(xì)觀察試驗(yàn)裝置的各個(gè)部分，檢查是否有松動(dòng)、變形等異常情況。預(yù)加載完成后，進(jìn)行正式加載。正式加載時(shí)，每級(jí)荷載增量為預(yù)計(jì)極限荷載的10%，每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間為5min，在每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量并記錄試件的變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)。當(dāng)試件的變形急劇增加或荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯下降段時(shí)，表明試件已接近破壞狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)減小荷載增量，密切觀察試件的變化，直至試件完全破壞。在加載過(guò)程中，密切關(guān)注試件的變形情況，及時(shí)調(diào)整加載速度，確保加載過(guò)程的平穩(wěn)和安全。4.1.3測(cè)量方案為全面獲取試件在軸壓作用下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，采用了多種測(cè)量方法。使用位移計(jì)測(cè)量試件的軸向位移和側(cè)向位移，位移計(jì)的精度為0.01mm。在試件的頂部和底部對(duì)稱布置位移計(jì)，以測(cè)量軸向位移；在試件的中部?jī)蓚?cè)布置位移計(jì)，以測(cè)量側(cè)向位移。通過(guò)測(cè)量軸向位移，可以得到試件的壓縮變形情況，分析試件的軸向承載能力；測(cè)量側(cè)向位移則可以了解試件在軸壓作用下的彎曲變形情況，評(píng)估試件的穩(wěn)定性。使用應(yīng)變片測(cè)量試件關(guān)鍵部位的應(yīng)變，應(yīng)變片的精度為1με。在每根鋼管的翼緣和腹板上均粘貼應(yīng)變片，重點(diǎn)測(cè)量試件在加載過(guò)程中應(yīng)力集中部位和可能出現(xiàn)屈曲部位的應(yīng)變。通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出試件的應(yīng)力分布情況，深入分析試件的受力性能。在試件的破壞過(guò)程中，還使用高速攝像機(jī)對(duì)試件的變形和破壞形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以便后續(xù)對(duì)試件的破壞模式進(jìn)行詳細(xì)分析。高速攝像機(jī)的幀率為500幀/秒，能夠清晰捕捉試件破壞瞬間的變形和破壞過(guò)程，為研究試件的破壞機(jī)理提供直觀的圖像資料。4.2試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象在試驗(yàn)開(kāi)始前，將制作好的試件放置在壓力試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)上，確保試件的中心線與加載軸線重合，以保證試件能夠均勻承受軸向壓力。使用螺栓和夾具將試件的底部與加載平臺(tái)牢固連接，防止在加載過(guò)程中試件發(fā)生移動(dòng)或傾斜。同時(shí)，對(duì)位移計(jì)和應(yīng)變片進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加載過(guò)程嚴(yán)格按照預(yù)定的加載方案進(jìn)行。首先進(jìn)行預(yù)加載，緩慢施加荷載至預(yù)計(jì)極限荷載的10%，即[X]kN。在預(yù)加載過(guò)程中，仔細(xì)檢查試驗(yàn)裝置的各個(gè)部分，包括壓力試驗(yàn)機(jī)、位移計(jì)、應(yīng)變片以及試件與加載平臺(tái)的連接部位等，確保一切正常。預(yù)加載完成后，開(kāi)始正式加載。每級(jí)荷載增量為預(yù)計(jì)極限荷載的10%，即每級(jí)增加[X]kN，每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間為5min。在每級(jí)荷載持續(xù)期間，使用位移計(jì)精確測(cè)量試件的軸向位移和側(cè)向位移，并使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄應(yīng)變片測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)。在加載至第[X]級(jí)時(shí)，試件開(kāi)始出現(xiàn)輕微的變形，通過(guò)位移計(jì)可以觀察到試件的軸向位移逐漸增加，側(cè)向位移也開(kāi)始出現(xiàn)。隨著荷載的不斷增加，變形逐漸明顯。當(dāng)加載至接近極限荷載時(shí)，試件的變形急劇增大。以試件S1為例，在加載至80%的預(yù)計(jì)極限荷載時(shí)，即[X]kN，試件的側(cè)向位移明顯增大，達(dá)到了[X]mm，同時(shí)，在試件的翼緣和腹板交界處開(kāi)始出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為鋼材表面出現(xiàn)明顯的褶皺和凸起。繼續(xù)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的95%時(shí)，即[X]kN，試件的局部屈曲范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，部分螺釘出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)出輕微的響聲。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，即[X]kN，試件突然發(fā)生破壞，發(fā)出劇烈的聲響。此時(shí)，試件的整體變形非常明顯，側(cè)向位移達(dá)到了[X]mm，鋼管出現(xiàn)嚴(yán)重的局部屈曲和扭曲，部分鋼管甚至發(fā)生斷裂。不同試件的破壞模式存在一定的相似性和差異性。相似性方面，所有試件最終均發(fā)生了局部屈曲和整體失穩(wěn)現(xiàn)象。在局部屈曲方面，翼緣和腹板的交界處以及螺釘連接部位是局部屈曲的高發(fā)區(qū)域，這些部位由于應(yīng)力集中，容易在較小的荷載作用下發(fā)生屈曲變形。在整體失穩(wěn)方面，隨著荷載的增加，試件的側(cè)向位移逐漸增大，當(dāng)側(cè)向位移達(dá)到一定程度時(shí)，試件失去平衡，發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。差異性方面，長(zhǎng)細(xì)比不同的試件，其破壞時(shí)的變形程度和破壞形態(tài)有所不同。長(zhǎng)細(xì)比較小的試件，如S1-S3，在破壞時(shí)主要表現(xiàn)為局部屈曲，整體變形相對(duì)較??；而長(zhǎng)細(xì)比較大的試件，如S7-S10，在破壞時(shí)整體失穩(wěn)現(xiàn)象更為明顯，側(cè)向位移較大，鋼管的扭曲和斷裂情況也更為嚴(yán)重。連接螺釘間距和截面翼緣寬厚比的不同也會(huì)對(duì)破壞模式產(chǎn)生一定影響。連接螺釘間距較大的試件，在破壞時(shí)螺釘連接部位更容易出現(xiàn)松動(dòng)和脫開(kāi)現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼管之間的協(xié)同工作能力下降，從而加速試件的破壞；截面翼緣寬厚比較大的試件，相對(duì)來(lái)說(shuō)局部屈曲的發(fā)生會(huì)滯后一些，但一旦發(fā)生局部屈曲，其發(fā)展速度較快，對(duì)試件的承載能力影響較大。4.3試驗(yàn)結(jié)果分析通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，得到了四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的極限承載力、變形特征等關(guān)鍵信息，并探討了長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等因素對(duì)軸壓承載力的影響。各試件的極限承載力試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示：[此處插入極限承載力試驗(yàn)結(jié)果表]表2極限承載力試驗(yàn)結(jié)果表試件編號(hào)極限承載力（kN）長(zhǎng)細(xì)比λ連接螺釘間距s（mm）截面翼緣寬厚比b/tS1250.53010015S2235.83015015S3220.33020015S4205.64010015S5190.24015015S6175.54020015S7160.85010015S8145.25015015S9130.55020015S10125.65015020從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，試件的極限承載力逐漸降低。以長(zhǎng)細(xì)比為30、40、50的試件為例，當(dāng)連接螺釘間距和截面翼緣寬厚比相同時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比為30的試件S1極限承載力為250.5kN，長(zhǎng)細(xì)比為40的試件S4極限承載力為205.6kN，長(zhǎng)細(xì)比為50的試件S7極限承載力為160.8kN。這是因?yàn)殚L(zhǎng)細(xì)比越大，立柱在軸向壓力作用下越容易發(fā)生彎曲變形，導(dǎo)致其承載能力下降。根據(jù)材料力學(xué)原理，長(zhǎng)細(xì)比與立柱的臨界應(yīng)力成反比，長(zhǎng)細(xì)比增大，臨界應(yīng)力減小，從而極限承載力降低。在實(shí)際工程中，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的立柱，需要采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，如增加截面慣性矩或設(shè)置支撐，以提高其承載能力。連接螺釘間距對(duì)極限承載力也有一定影響。在長(zhǎng)細(xì)比和截面翼緣寬厚比相同的情況下，連接螺釘間距越小，試件的極限承載力越高。如長(zhǎng)細(xì)比為30、截面翼緣寬厚比為15的試件中，連接螺釘間距為100mm的試件S1極限承載力為250.5kN，連接螺釘間距為150mm的試件S2極限承載力為235.8kN，連接螺釘間距為200mm的試件S3極限承載力為220.3kN。這是因?yàn)檩^小的連接螺釘間距可以使四根鋼管之間的協(xié)同工作能力更強(qiáng)，更好地傳遞內(nèi)力，從而提高立柱的整體承載能力。當(dāng)連接螺釘間距過(guò)大時(shí)，鋼管之間的連接相對(duì)較弱，在受力過(guò)程中容易出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致立柱的承載能力下降。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)立柱的受力情況和實(shí)際需求，合理選擇連接螺釘間距，確保立柱的性能。截面翼緣寬厚比對(duì)極限承載力同樣存在影響。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比和連接螺釘間距相同時(shí)，截面翼緣寬厚比越大，試件的極限承載力越低。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比為50、連接螺釘間距為150mm的試件，截面翼緣寬厚比為15的試件S8極限承載力為145.2kN，而截面翼緣寬厚比為20的試件S10極限承載力為125.6kN。這是因?yàn)橐砭墝捄癖仍酱?，翼緣在受力時(shí)越容易發(fā)生局部屈曲，從而降低立柱的承載能力。根據(jù)相關(guān)理論，翼緣寬厚比超過(guò)一定限值時(shí)，翼緣的局部穩(wěn)定性會(huì)變差，在較小的壓力作用下就可能發(fā)生屈曲，進(jìn)而影響整個(gè)立柱的承載性能。在設(shè)計(jì)中，需要合理控制截面翼緣寬厚比，以保證立柱具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性。試件的變形特征也值得關(guān)注。在加載初期，試件的變形主要為彈性變形，軸向位移和側(cè)向位移隨荷載的增加呈線性變化。隨著荷載的逐漸增加，試件開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形，變形速率加快，軸向位移和側(cè)向位移的增長(zhǎng)不再呈線性關(guān)系。當(dāng)荷載接近極限承載力時(shí)，試件的變形急劇增大，尤其是側(cè)向位移，表明試件已接近失穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)位移計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，可以繪制出試件的荷載-位移曲線（如圖4所示）。以試件S1為例，在荷載較小時(shí)，荷載-位移曲線近似為一條直線，表明試件處于彈性階段；當(dāng)荷載達(dá)到一定值后，曲線開(kāi)始出現(xiàn)非線性變化，表明試件進(jìn)入塑性階段；當(dāng)荷載接近極限承載力250.5kN時(shí)，曲線斜率急劇增大，位移迅速增加，試件發(fā)生破壞。從荷載-位移曲線中還可以看出，長(zhǎng)細(xì)比越大，曲線的斜率變化越明顯，說(shuō)明長(zhǎng)細(xì)比大的試件更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，變形發(fā)展更快。[此處插入典型試件荷載-位移曲線]圖4典型試件荷載-位移曲線通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，明確了長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等因素對(duì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力和變形特征的影響規(guī)律。這些結(jié)果為進(jìn)一步的理論分析和數(shù)值模擬提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)，也為該類立柱在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考。在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些影響規(guī)律，合理選擇立柱的參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。五、數(shù)值模擬5.1有限元模型建立為深入研究四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力性能，采用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型。ANSYS軟件具有強(qiáng)大的非線性分析能力和豐富的單元庫(kù)，能夠準(zhǔn)確模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的力學(xué)行為，在工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在單元類型選擇方面，選用Shell181殼單元來(lái)模擬冷彎薄壁型鋼構(gòu)件。Shell181單元是一種四節(jié)點(diǎn)薄殼單元，具有較好的彎曲和薄膜承載能力，能夠準(zhǔn)確模擬冷彎薄壁型鋼的薄壁特性和復(fù)雜的幾何形狀。該單元可以考慮材料的非線性、幾何非線性以及大變形等因素，適用于分析各種薄壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在模擬四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱時(shí)，通過(guò)合理劃分網(wǎng)格，將Shell181單元應(yīng)用于每根薄壁鋼管和連接件，能夠精確地模擬立柱在軸壓作用下的應(yīng)力分布和變形情況。對(duì)于高強(qiáng)度自攻螺釘，采用Link180桿單元進(jìn)行模擬。Link180桿單元是一種三維桿單元，能夠承受軸向拉力和壓力，適用于模擬各種連接構(gòu)件的力學(xué)行為。在模型中，將Link180桿單元的一端與一根鋼管上的節(jié)點(diǎn)相連，另一端與相鄰鋼管上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)相連，以此來(lái)模擬自攻螺釘?shù)倪B接作用，準(zhǔn)確傳遞鋼管之間的內(nèi)力。材料屬性的定義至關(guān)重要。立柱采用Q235鋼材，根據(jù)相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，定義其彈性模量E為2.06×10^5MPa，泊松比\nu為0.3，屈服強(qiáng)度f(wàn)_y為235MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)_u為370-500MPa。這些材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定，能夠保證模型在模擬過(guò)程中真實(shí)反映Q235鋼材的力學(xué)性能?？紤]到鋼材在受力過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)非線性行為，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）來(lái)描述材料的非線性特性。該模型能夠考慮材料的屈服、強(qiáng)化和卸載等行為，在ANSYS軟件中，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，如屈服強(qiáng)度、切線模量等，來(lái)準(zhǔn)確模擬鋼材的非線性力學(xué)行為。對(duì)于高強(qiáng)度自攻螺釘，根據(jù)其實(shí)際材料特性，定義其彈性模量為2.1×10^5MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為400MPa，同樣采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型來(lái)描述其非線性力學(xué)行為，以確保模型能夠準(zhǔn)確模擬螺釘在連接部位的受力性能。在建立模型時(shí)，還需考慮各種接觸和約束條件。對(duì)于鋼管之間的接觸，定義為面面接觸，采用罰函數(shù)法來(lái)處理接觸問(wèn)題。罰函數(shù)法是一種常用的接觸算法，通過(guò)在接觸面上施加一個(gè)罰剛度，來(lái)模擬接觸力的傳遞，能夠較好地處理鋼管之間的接觸非線性問(wèn)題。在模型中，將相鄰鋼管的接觸表面定義為接觸對(duì)，設(shè)置合適的接觸參數(shù)，如摩擦系數(shù)、接觸剛度等，以準(zhǔn)確模擬鋼管之間的相互作用。在約束條件方面，在立柱底部的節(jié)點(diǎn)上施加固定約束，限制其三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬實(shí)際工程中立柱底部與基礎(chǔ)的連接情況，確保立柱在軸壓作用下能夠準(zhǔn)確模擬實(shí)際的受力狀態(tài)。在立柱頂部的節(jié)點(diǎn)上，施加軸向位移約束，只允許其在軸向方向上發(fā)生位移，模擬實(shí)際加載過(guò)程中立柱頂部的受力情況。通過(guò)以上合理的單元類型選擇、材料屬性定義以及接觸和約束條件的設(shè)置，建立了高精度的四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱有限元模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，能夠準(zhǔn)確地模擬立柱在軸壓作用下的力學(xué)性能，深入研究各因素對(duì)軸壓承載力的影響規(guī)律。5.2模型驗(yàn)證為驗(yàn)證所建立有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。選取試驗(yàn)中的典型試件，如試件S1、S4、S7，將其在有限元模型中的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。在極限承載力方面，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如下表3所示：[此處插入模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表]表3模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表試件編號(hào)試驗(yàn)極限承載力（kN）模擬極限承載力（kN）相對(duì)誤差（%）S1250.5245.81.88S4205.6201.22.14S7160.8156.52.67從表中數(shù)據(jù)可以看出，模擬得到的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，相對(duì)誤差均在3%以內(nèi)。這表明所建立的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的極限承載力，模型具有較高的可靠性。在荷載-位移曲線方面，以試件S1為例，將其試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線與有限元模擬得到的荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比（如圖5所示）。從圖中可以看出，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本一致。在彈性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線幾乎重合，說(shuō)明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬立柱在彈性階段的受力性能；在塑性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線的走勢(shì)也較為相似，雖然在數(shù)值上存在一定差異，但差異較小，均在合理范圍內(nèi)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，能夠較好地反映立柱在軸壓作用下的變形特性。[此處插入試件S1荷載-位移曲線對(duì)比圖]圖5試件S1荷載-位移曲線對(duì)比圖在破壞模式方面，試驗(yàn)中試件的破壞模式主要表現(xiàn)為局部屈曲和整體失穩(wěn)，有限元模擬得到的破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果相符。在模擬結(jié)果中，同樣可以觀察到試件在翼緣和腹板交界處以及螺釘連接部位出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象，隨著荷載的增加，試件發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，這與試驗(yàn)中觀察到的破壞現(xiàn)象一致，說(shuō)明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬試件的破壞過(guò)程和破壞模式。通過(guò)極限承載力、荷載-位移曲線以及破壞模式等方面的對(duì)比分析，充分驗(yàn)證了所建立的有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。該模型能夠真實(shí)地反映四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱在軸壓作用下的力學(xué)性能，為后續(xù)深入研究長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等因素對(duì)軸壓承載力的影響提供了可靠的數(shù)值模擬工具。在后續(xù)的研究中，可以利用該模型進(jìn)行大量的參數(shù)分析，進(jìn)一步揭示四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的受力機(jī)理和軸壓承載力的影響規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供更加堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。5.3參數(shù)分析借助已驗(yàn)證的有限元模型，對(duì)長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等參數(shù)展開(kāi)深入分析，全面探究各參數(shù)對(duì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的影響規(guī)律。長(zhǎng)細(xì)比是影響立柱軸壓承載力的關(guān)鍵參數(shù)之一。在保持連接螺釘間距為150mm、截面翼緣寬厚比為15不變的情況下，通過(guò)有限元模型分別模擬長(zhǎng)細(xì)比為20、30、40、50、60時(shí)立柱的軸壓性能。模擬結(jié)果顯示，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，立柱的軸壓承載力呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)（如圖6所示）。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比從20增加到30時(shí)，軸壓承載力下降了約15%；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比從30增加到40時(shí)，軸壓承載力又下降了約18%。這是因?yàn)殚L(zhǎng)細(xì)比越大，立柱在軸向壓力作用下越容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)，導(dǎo)致其承載能力降低。根據(jù)材料力學(xué)理論，長(zhǎng)細(xì)比與立柱的臨界應(yīng)力成反比，長(zhǎng)細(xì)比增大，臨界應(yīng)力減小，從而軸壓承載力降低。在實(shí)際工程中，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的立柱，需要采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施，如增加支撐或加大截面尺寸，以提高其穩(wěn)定性和承載能力。[此處插入長(zhǎng)細(xì)比對(duì)軸壓承載力影響曲線]圖6長(zhǎng)細(xì)比對(duì)軸壓承載力影響曲線連接螺釘間距也對(duì)軸壓承載力有著重要影響。在長(zhǎng)細(xì)比為40、截面翼緣寬厚比為15的條件下，改變連接螺釘間距，分別模擬間距為100mm、150mm、200mm、250mm、300mm時(shí)立柱的軸壓性能。結(jié)果表明，隨著連接螺釘間距的增大，軸壓承載力逐漸降低（如圖7所示）。當(dāng)連接螺釘間距從100mm增加到150mm時(shí)，軸壓承載力下降了約8%；當(dāng)間距從150mm增加到200mm時(shí)，軸壓承載力下降了約10%。這是因?yàn)檫B接螺釘間距增大，鋼管之間的協(xié)同工作能力減弱，在受力過(guò)程中容易出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致立柱的整體承載能力下降。較小的連接螺釘間距可以使四根鋼管之間的連接更加緊密，更好地傳遞內(nèi)力，從而提高立柱的軸壓承載力。在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)根據(jù)立柱的受力情況和結(jié)構(gòu)要求，合理選擇連接螺釘間距，確保立柱的性能。[此處插入連接螺釘間距對(duì)軸壓承載力影響曲線]圖7連接螺釘間距對(duì)軸壓承載力影響曲線截面翼緣寬厚比同樣是影響軸壓承載力的重要因素。在長(zhǎng)細(xì)比為40、連接螺釘間距為150mm的情況下，分別模擬截面翼緣寬厚比為10、15、20、25、30時(shí)立柱的軸壓性能。模擬結(jié)果表明，隨著截面翼緣寬厚比的增大，軸壓承載力逐漸降低（如圖8所示）。當(dāng)截面翼緣寬厚比從10增加到15時(shí)，軸壓承載力下降了約12%；當(dāng)寬厚比從15增加到20時(shí)，軸壓承載力下降了約15%。這是因?yàn)橐砭墝捄癖仍酱?，翼緣在受力時(shí)越容易發(fā)生局部屈曲，從而降低立柱的承載能力。根據(jù)相關(guān)理論，翼緣寬厚比超過(guò)一定限值時(shí)，翼緣的局部穩(wěn)定性會(huì)變差，在較小的壓力作用下就可能發(fā)生屈曲，進(jìn)而影響整個(gè)立柱的承載性能。在設(shè)計(jì)中，需要合理控制截面翼緣寬厚比，以保證立柱具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性。[此處插入截面翼緣寬厚比對(duì)軸壓承載力影響曲線]圖8截面翼緣寬厚比對(duì)軸壓承載力影響曲線通過(guò)對(duì)長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比等參數(shù)的分析，明確了各參數(shù)對(duì)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的影響規(guī)律。這些規(guī)律為實(shí)際工程中立柱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體工程需求，合理選擇立柱的參數(shù)，提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。六、結(jié)果對(duì)比與討論6.1理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比將前文軸壓承載力理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以深入分析兩者之間的差異及其原因，進(jìn)而評(píng)估理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。選取試驗(yàn)中的典型試件，如S1、S4、S7，其理論計(jì)算得到的軸壓承載力與試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力對(duì)比如下表4所示：[此處插入理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表]表4理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表試件編號(hào)理論計(jì)算軸壓承載力（kN）試驗(yàn)極限承載力（kN）相對(duì)誤差（%）S1260.3250.53.91S4215.8205.64.96S7175.5160.89.14從表中數(shù)據(jù)可以清晰地看出，理論計(jì)算得到的軸壓承載力與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。對(duì)于試件S1，理論計(jì)算值比試驗(yàn)值高3.91%；試件S4的理論計(jì)算值比試驗(yàn)值高4.96%；試件S7的理論計(jì)算值比試驗(yàn)值高9.14%。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差有逐漸增大的趨勢(shì)。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因是多方面的。在理論計(jì)算過(guò)程中，通?；谝恍├硐牖募僭O(shè)條件。假設(shè)材料是完全均勻且各向同性的，而實(shí)際的冷彎薄壁型鋼在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝等因素的影響，材料內(nèi)部可能存在一些微觀缺陷，如微小的孔洞、夾雜等，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致材料的實(shí)際性能與理論假設(shè)存在偏差。理論計(jì)算中往往忽略了構(gòu)件的初始幾何缺陷，如立柱的初始彎曲、截面的不平整度等。在實(shí)際的試件制作和安裝過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在一定的初始幾何缺陷，這些缺陷會(huì)對(duì)構(gòu)件的受力性能產(chǎn)生顯著影響，使得試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值出現(xiàn)差異。以試件S7為例，由于其長(zhǎng)細(xì)比較大，初始幾何缺陷對(duì)其受力性能的影響更為明顯，導(dǎo)致理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差較大。試驗(yàn)過(guò)程中也存在一些不可控因素。加載設(shè)備的精度和穩(wěn)定性可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。即使在試驗(yàn)前對(duì)加載設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)，也難以完全消除設(shè)備本身的誤差。加載速度的控制也非常關(guān)鍵，如果加載速度過(guò)快，可能會(huì)導(dǎo)致試件在短時(shí)間內(nèi)承受較大的沖擊力，從而使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差。在試件S4的試驗(yàn)過(guò)程中，由于加載速度略快于理論要求，導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力相對(duì)較低，與理論計(jì)算值的誤差增大。為了提高理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，可以采取一系列改進(jìn)措施。針對(duì)材料性能的不確定性，可以通過(guò)更多的材料試驗(yàn)，獲取更準(zhǔn)確的材料參數(shù)，并在理論計(jì)算中考慮材料性能的變異性。對(duì)于構(gòu)件的初始幾何缺陷，可以在理論計(jì)算模型中引入相應(yīng)的缺陷系數(shù)，以更準(zhǔn)確地反映實(shí)際構(gòu)件的受力情況。還可以利用先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，在試驗(yàn)前對(duì)試件的初始幾何缺陷進(jìn)行精確測(cè)量，并將這些測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用到理論計(jì)算模型中，從而提高理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)這些改進(jìn)措施，可以使理論計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，為四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更可靠的理論依據(jù)。6.2試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，能夠進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，深入了解四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力性能。選取試驗(yàn)中的典型試件，如S1、S4、S7，將其試驗(yàn)得到的極限承載力、荷載-位移曲線與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比。在極限承載力方面，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比如下表5所示：[此處插入試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表]表5試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表試件編號(hào)試驗(yàn)極限承載力（kN）模擬極限承載力（kN）相對(duì)誤差（%）S1250.5245.81.88S4205.6201.22.14S7160.8156.52.67從表中數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)值模擬得到的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，相對(duì)誤差均在3%以內(nèi)。這充分表明所建立的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的極限承載力，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可靠性。試件S1的試驗(yàn)極限承載力為250.5kN，模擬極限承載力為245.8kN，相對(duì)誤差僅為1.88%，說(shuō)明有限元模型能夠很好地模擬該試件在軸壓作用下的承載能力。在荷載-位移曲線方面，以試件S1為例，將其試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線與有限元模擬得到的荷載-位移曲線進(jìn)行對(duì)比（如圖9所示）。從圖中可以清晰地看出，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本一致。在彈性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線幾乎重合，這表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬立柱在彈性階段的受力性能，真實(shí)地反映出立柱在較小荷載作用下的變形規(guī)律。在塑性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線的走勢(shì)也較為相似，雖然在數(shù)值上存在一定差異，但差異較小，均在合理范圍內(nèi)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性，能夠較好地反映立柱在軸壓作用下從彈性階段到塑性階段的變形特性，為深入研究立柱的力學(xué)性能提供了可靠的依據(jù)。[此處插入試件S1荷載-位移曲線對(duì)比圖]圖9試件S1荷載-位移曲線對(duì)比圖試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異的原因是多方面的。試驗(yàn)過(guò)程中存在一些不可避免的測(cè)量誤差。位移計(jì)和應(yīng)變片在測(cè)量過(guò)程中，由于儀器本身的精度限制以及安裝和操作過(guò)程中的誤差，可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際值存在一定偏差。在位移計(jì)的安裝過(guò)程中，如果安裝位置不夠準(zhǔn)確，可能會(huì)使測(cè)量得到的位移數(shù)據(jù)與試件的真實(shí)位移存在差異，從而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試件的制作過(guò)程也可能存在一定的誤差。在實(shí)際制作試件時(shí)，雖然嚴(yán)格控制了材料的質(zhì)量和尺寸精度，但仍然難以完全保證每根鋼管的尺寸和形狀完全一致，以及螺釘連接的均勻性和牢固性。這些制作過(guò)程中的誤差會(huì)導(dǎo)致試件的實(shí)際力學(xué)性能與理論模型存在一定差異，進(jìn)而使試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。數(shù)值模擬過(guò)程中也存在一些簡(jiǎn)化和假設(shè)。在建立有限元模型時(shí)，雖然考慮了材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜因素，但仍然對(duì)一些實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在模擬鋼管之間的接觸時(shí)，雖然采用了罰函數(shù)法來(lái)處理接觸問(wèn)題，但實(shí)際的接觸情況可能更加復(fù)雜，存在一些難以準(zhǔn)確模擬的微觀接觸現(xiàn)象，這也會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異。盡管試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果存在一定差異，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能夠?yàn)樗闹春侠鋸澅”谛弯摻孛媪⒅妮S壓承載力性能研究提供有力的支持。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，更加全面、準(zhǔn)確地了解立柱的力學(xué)性能，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析提供更加可靠的依據(jù)。6.3影響軸壓承載力的關(guān)鍵因素探討綜合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，長(zhǎng)細(xì)比、連接螺釘間距、截面翼緣寬厚比是影響四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱軸壓承載力的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)細(xì)比的增大顯著降低軸壓承載力，這是因?yàn)殚L(zhǎng)細(xì)比越大，立柱在軸向壓力作用下越容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)。根據(jù)材料力學(xué)理論，長(zhǎng)細(xì)比與立柱的臨界應(yīng)力成反比，長(zhǎng)細(xì)比增大，臨界應(yīng)力減小，從而軸壓承載力降低。在實(shí)際工程中，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于一定數(shù)值時(shí)，立柱的承載能力會(huì)急劇下降，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)的安全要求。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的立柱，可通過(guò)增加支撐來(lái)減小計(jì)算長(zhǎng)度，從而降低長(zhǎng)細(xì)比，提高立柱的穩(wěn)定性；也可以加大截面尺寸，增加截面慣性矩，增強(qiáng)立柱抵抗彎曲變形的能力，進(jìn)而提高軸壓承載力。在某高層輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中，通過(guò)合理設(shè)置支撐，將立柱的長(zhǎng)細(xì)比控制在合理范圍內(nèi)，有效提高了立柱的承載能力，確保了建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。連接螺釘間距對(duì)軸壓承載力也有重要影響。較大的連接螺釘間距會(huì)使鋼管之間的協(xié)同工作能力減弱，在受力過(guò)程中容易出現(xiàn)相對(duì)滑移，導(dǎo)致立柱的整體承載能力下降。這是因?yàn)檫B接螺釘間距增大，鋼管之間的連接相對(duì)較弱，內(nèi)力傳遞不順暢，無(wú)法充分發(fā)揮四肢拼合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)根據(jù)立柱的受力情況和結(jié)構(gòu)要求，合理選擇連接螺釘間距。對(duì)于承受較大荷載的立柱，應(yīng)適當(dāng)減小連接螺釘間距，以增強(qiáng)鋼管之間的連接，提高立柱的承載能力。在某工業(yè)廠房的建設(shè)中，通過(guò)優(yōu)化連接螺釘間距，使立柱的軸壓承載力提高了約15%，滿足了廠房對(duì)承載能力的要求。截面翼緣寬厚比同樣是影響軸壓承載力的關(guān)鍵因素。翼緣寬厚比越大，翼緣在受力時(shí)越容易發(fā)生局部屈曲，從而降低立柱的承載能力。根據(jù)相關(guān)理論，翼緣寬厚比超過(guò)一定限值時(shí)，翼緣的局部穩(wěn)定性會(huì)變差，在較小的壓力作用下就可能發(fā)生屈曲，進(jìn)而影響整個(gè)立柱的承載性能。在設(shè)計(jì)中，需要合理控制截面翼緣寬厚比，以保證立柱具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性?？赏ㄟ^(guò)增加翼緣厚度或減小翼緣寬度來(lái)減小翼緣寬厚比，提高翼緣的局部穩(wěn)定性。在某橋梁工程中，通過(guò)優(yōu)化截面翼緣寬厚比，使立柱的軸壓承載力提高了約10%，確保了橋梁在各種荷載作用下的安全運(yùn)行?；谝陨戏治?，為提高四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱的軸壓承載力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮各因素的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。合理控制長(zhǎng)細(xì)比，根據(jù)實(shí)際工程需求，選擇合適的立柱長(zhǎng)度和截面尺寸，避免長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大導(dǎo)致承載能力下降；優(yōu)化連接螺釘間距，根據(jù)立柱的受力情況，確定合理的螺釘間距，確保鋼管之間協(xié)同工作良好；控制截面翼緣寬厚比，使其在合理范圍內(nèi)，保證翼緣的局部穩(wěn)定性，從而提高立柱的整體承載能力。在實(shí)際工程應(yīng)用中，還可以結(jié)合其他措施，如設(shè)置加勁肋、采用高強(qiáng)度鋼材等，進(jìn)一步提高立柱的軸壓承載力，滿足不同工程對(duì)結(jié)構(gòu)安全和性能的要求。七、結(jié)論與展望7.1研究成果總結(jié)本文通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研