多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的深入剖析與精準預測一、引言1.1研究背景與意義在建筑領域，隨著現(xiàn)代化進程的加速，對建筑材料和結(jié)構(gòu)的要求日益提高。冷彎薄壁型鋼作為一種高效的建筑材料，憑借其輕質(zhì)、高強、施工便捷以及可回收利用等諸多優(yōu)勢，在各類建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應用，涵蓋了住宅、商業(yè)建筑、工業(yè)廠房等多個領域。其應用不僅有效減輕了建筑物的自重，降低了基礎工程的成本，還顯著縮短了施工周期，提高了建筑施工的效率，充分體現(xiàn)了綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的理念。在實際工程中，為滿足不同結(jié)構(gòu)的承載需求和復雜的受力條件，多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱應運而生。這種結(jié)構(gòu)形式通過將多個冷彎薄壁型鋼單元拼合在一起，形成更為復雜和高效的截面形狀，從而顯著提高了構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性。多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在高層建筑的框架結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁的支撐體系以及工業(yè)廠房的排架結(jié)構(gòu)等方面都發(fā)揮著關鍵作用，其軸壓承載力直接關系到整個結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。軸壓承載力是衡量多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱力學性能的核心指標，準確評估其軸壓承載力對于結(jié)構(gòu)設計和安全評估具有重要意義。在結(jié)構(gòu)設計階段，精確掌握短柱的軸壓承載力，能夠確保結(jié)構(gòu)在正常使用和極端荷載工況下的安全性和可靠性，避免因構(gòu)件承載能力不足而導致的結(jié)構(gòu)破壞和安全事故。同時，合理的軸壓承載力設計還可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的材料使用，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，降低建筑成本，提高經(jīng)濟效益。在安全評估方面，對既有結(jié)構(gòu)中的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力進行準確檢測和評估，能夠及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的安全隱患，為結(jié)構(gòu)的維護、加固和改造提供科學依據(jù)，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，保障人民生命財產(chǎn)安全。因此，深入研究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，冷彎薄壁型鋼的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。眾多學者和研究機構(gòu)圍繞冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓性能展開了多方面研究。美國鋼鐵協(xié)會（AISI）制定的相關規(guī)范為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的設計提供了重要依據(jù)，其基于有效寬度法和直接強度法的設計理念，在國際上被廣泛應用和借鑒。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力研究方面，一些學者通過試驗研究，深入分析了構(gòu)件的破壞模式和承載性能。例如，[國外學者姓名1]對雙肢和四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱進行了軸壓試驗，觀察到構(gòu)件在軸壓力作用下，可能發(fā)生局部屈曲、畸變屈曲以及整體屈曲等多種破壞模式，并且發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的軸壓承載力與構(gòu)件的長細比、板件寬厚比以及連接方式等因素密切相關。在有限元模擬方面，[國外學者姓名2]利用先進的有限元軟件，建立了高精度的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱模型，通過數(shù)值模擬，詳細研究了構(gòu)件在不同工況下的應力分布和變形規(guī)律，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性，為進一步深入研究提供了有效的手段。在國內(nèi)，隨著冷彎薄壁型鋼在建筑工程中的應用逐漸增多，對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的研究也日益受到重視。國內(nèi)學者在借鑒國外研究成果的基礎上，結(jié)合國內(nèi)的工程實際和材料特點，開展了一系列研究工作。在試驗研究方面，[國內(nèi)學者姓名1]對不同截面形式和尺寸的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱進行了軸心受壓試驗，詳細記錄了試驗過程中的荷載-位移曲線，分析了構(gòu)件的破壞過程和破壞形態(tài)，研究結(jié)果表明，構(gòu)件的軸壓承載力隨著肢數(shù)的增加而顯著提高，但同時也受到連接部位強度和剛度的影響。在理論分析方面，[國內(nèi)學者姓名2]基于經(jīng)典的薄壁構(gòu)件理論，考慮了多肢拼合截面的特點，推導了適用于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的計算公式，并通過與試驗結(jié)果對比，驗證了公式的合理性和準確性。盡管國內(nèi)外在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。現(xiàn)有研究在構(gòu)件的復雜破壞模式和機理分析方面還不夠深入，對于不同類型和規(guī)格的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，缺乏統(tǒng)一的設計理論和方法。在實際工程應用中，多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的連接節(jié)點形式多樣，其受力性能和可靠性對構(gòu)件的軸壓承載力有著重要影響，但目前對連接節(jié)點的研究還相對較少，尚未形成完善的節(jié)點設計理論和方法。此外，現(xiàn)有研究主要集中在常溫下的軸壓性能，對于高溫、低溫等特殊環(huán)境下多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力研究還較為薄弱，無法滿足實際工程中對結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的要求。因此，進一步深入研究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的相關問題，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在深入、系統(tǒng)地探究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力，通過試驗研究、理論分析、數(shù)值模擬等多種手段，揭示其受力機理和破壞模式，建立更為精確的軸壓承載力計算方法，為實際工程設計提供科學、可靠的理論依據(jù)和技術支持。具體研究內(nèi)容如下：多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓試驗研究：設計并制作一系列不同截面形式、尺寸參數(shù)和連接方式的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱試件。對試件進行軸心受壓試驗，詳細記錄試驗過程中的荷載-位移曲線、應變分布以及破壞模式等數(shù)據(jù)。通過試驗結(jié)果分析，初步掌握多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下的力學性能和破壞特征。多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓力學性能理論分析：基于薄壁構(gòu)件理論和板殼理論，考慮多肢拼合截面的特點以及構(gòu)件的屈曲模態(tài)，推導多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的理論計算公式。分析構(gòu)件的長細比、板件寬厚比、連接剛度等因素對軸壓承載力的影響規(guī)律，從理論層面深入理解構(gòu)件的受力機理。多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力影響因素分析：利用有限元軟件建立多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的數(shù)值模型，通過與試驗結(jié)果對比驗證模型的準確性?；隍炞C后的模型，開展參數(shù)化分析，系統(tǒng)研究構(gòu)件的截面形式、肢數(shù)、鋼材強度、連接方式以及初始幾何缺陷等因素對軸壓承載力的影響。明確各因素的影響程度和作用機制，為構(gòu)件的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力計算方法研究：對現(xiàn)有規(guī)范中關于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件軸壓承載力的計算方法進行分析和評估，結(jié)合本研究的試驗和理論分析結(jié)果，提出適用于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的計算方法。通過與試驗數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果對比，驗證所提計算方法的合理性和準確性，為工程設計提供可靠的計算依據(jù)。1.4研究方法與技術路線研究方法試驗研究：設計并制作多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱試件，涵蓋不同截面形式（如雙肢、四肢等）、尺寸參數(shù)（長度、寬度、厚度等）以及連接方式（螺栓連接、焊接等）。依據(jù)相關標準和規(guī)范，開展軸心受壓試驗，精確測量試驗過程中的荷載-位移曲線、應變分布等數(shù)據(jù)，并仔細觀察試件的破壞模式和變形特征。通過試驗，獲取真實可靠的第一手數(shù)據(jù)，為后續(xù)的理論分析和數(shù)值模擬提供有力的驗證依據(jù)。理論分析：基于薄壁構(gòu)件理論、板殼理論以及彈性穩(wěn)定理論，深入剖析多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下的受力機理和屈曲模態(tài)?？紤]構(gòu)件的長細比、板件寬厚比、連接剛度等因素，推導適用于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的理論計算公式。從理論層面揭示各因素對軸壓承載力的影響規(guī)律，為構(gòu)件的設計和分析提供理論指導。有限元模擬：運用先進的有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的精細化數(shù)值模型。通過合理設置材料屬性、單元類型、接觸關系和邊界條件，模擬構(gòu)件在軸壓力作用下的力學行為。將有限元模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模型的準確性和可靠性?；隍炞C后的模型，開展全面的參數(shù)化分析，系統(tǒng)研究構(gòu)件的截面形式、肢數(shù)、鋼材強度、連接方式以及初始幾何缺陷等因素對軸壓承載力的影響，為構(gòu)件的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。技術路線試件設計與制作：根據(jù)研究目標和內(nèi)容，確定試件的設計方案，包括截面形式、尺寸參數(shù)、連接方式等。按照設計要求，精心制作多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱試件，并對試件進行編號和標識。試驗測試與分析：將制作好的試件安裝在試驗裝置上，進行軸心受壓試驗。在試驗過程中，實時采集荷載、位移、應變等數(shù)據(jù)，并通過攝像機記錄試件的破壞過程和破壞模式。試驗結(jié)束后，對試驗數(shù)據(jù)進行整理和分析，初步掌握多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的力學性能和破壞特征。有限元模型建立與驗證：利用有限元軟件，建立多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的數(shù)值模型。通過與試驗結(jié)果對比，調(diào)整模型參數(shù)，驗證模型的準確性和可靠性。確保有限元模型能夠準確模擬構(gòu)件的力學行為，為后續(xù)的參數(shù)化分析奠定基礎。參數(shù)化分析與結(jié)果優(yōu)化：基于驗證后的有限元模型，開展參數(shù)化分析，系統(tǒng)研究不同因素對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的影響。根據(jù)分析結(jié)果，提出構(gòu)件的優(yōu)化設計方案，如合理選擇截面形式、調(diào)整肢數(shù)和尺寸參數(shù)、改進連接方式等，以提高構(gòu)件的軸壓承載力和結(jié)構(gòu)性能。理論公式推導與驗證：結(jié)合試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果，基于相關理論，推導多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的理論計算公式。將理論計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)和有限元分析結(jié)果進行對比驗證，不斷完善和優(yōu)化理論計算公式，為實際工程設計提供科學、可靠的計算方法。研究成果總結(jié)與應用：對研究過程中獲得的試驗數(shù)據(jù)、理論分析結(jié)果和有限元模擬結(jié)果進行全面總結(jié)和歸納，撰寫研究報告和學術論文。將研究成果應用于實際工程設計中，為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的設計和應用提供技術支持和參考依據(jù)，推動冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的廣泛應用和發(fā)展。二、多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱概述2.1冷彎薄壁型鋼特性冷彎薄壁型鋼作為一種重要的建筑材料，具有諸多獨特的特性，這些特性使其在建筑結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)出顯著的應用優(yōu)勢。冷彎薄壁型鋼具有輕質(zhì)高強的特性。它是以熱軋或冷軋帶鋼為坯料，在常溫狀態(tài)下經(jīng)壓力加工制成。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，其密度相對較小，使得構(gòu)件的自重明顯減輕。研究表明，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的自重通常僅為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/3至1/4，這一優(yōu)勢在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中尤為突出。例如，在一些高層寫字樓的建設中，采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)可以有效減輕建筑物的自重，降低基礎工程的負荷，從而減少基礎建設的成本和難度。同時，冷彎薄壁型鋼具有較高的強度，其屈服強度和抗拉強度能夠滿足大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)的承載要求。通過合理的截面設計和加工工藝，冷彎薄壁型鋼能夠在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，充分發(fā)揮材料的強度性能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的高效承載。冷彎薄壁型鋼的截面形式豐富多樣且經(jīng)濟合理。其成型方式靈活，可以根據(jù)工程實際需求，生產(chǎn)出各種復雜截面形狀的產(chǎn)品。我國目前能夠生產(chǎn)約400多種不同規(guī)格尺寸的冷彎型鋼，常見的截面有壓型鋼板、閉口方管、矩形管、槽鋼、卷邊槽鋼、Z型鋼、角鐵以及各種組合型鋼等。這些多樣化的截面形式能夠滿足不同建筑結(jié)構(gòu)的受力特點和功能要求。例如，在大跨度的工業(yè)廠房中，常采用閉口方管或矩形管作為主要承重構(gòu)件，其封閉的截面形式能夠提供良好的抗扭性能和抗彎性能，有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。從經(jīng)濟角度來看，冷彎薄壁型鋼的截面形狀設計合理，單位重量的截面系數(shù)高于熱軋型鋼。在相同負荷條件下，使用冷彎薄壁型鋼可以減輕構(gòu)件重量，節(jié)約材料用量。相關數(shù)據(jù)顯示，冷彎薄壁型鋼用于建筑結(jié)構(gòu)可比熱軋型鋼節(jié)約金屬30%-50%，這不僅降低了材料成本，還減少了運輸和安裝過程中的能耗和費用。冷彎薄壁型鋼還具有良好的加工性能和施工便捷性。在加工過程中，它可以通過輥軋、沖壓、彎折等工藝進行成型，加工精度高，生產(chǎn)效率快。而且，冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的尺寸精確，表面光潔，長度可以根據(jù)需要靈活調(diào)整，全部按定尺或倍尺供應，這大大提高了材料的利用率，減少了廢料的產(chǎn)生。在施工方面，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件較輕，便于運輸和安裝。施工現(xiàn)場可以采用螺栓連接、焊接等方式進行組裝，施工速度快，周期短，能夠有效縮短工程建設的時間。同時，施工過程中不需要大量的模板和支架，減少了施工設備的投入和施工場地的占用。例如，在一些應急救災安置房的建設中，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)憑借其施工便捷的優(yōu)勢，能夠在短時間內(nèi)完成搭建，為受災群眾提供及時的住所。冷彎薄壁型鋼還具備良好的環(huán)保性能和可持續(xù)性。鋼材是可回收再利用的材料，符合綠色建筑和可持續(xù)發(fā)展的理念。在建筑結(jié)構(gòu)使用壽命結(jié)束后，冷彎薄壁型鋼構(gòu)件可以進行回收處理，重新投入生產(chǎn)，減少了資源的浪費和對環(huán)境的污染。而且，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)過程中，能耗相對較低，減少了碳排放，對環(huán)境保護具有積極的意義。2.2多肢拼合截面形式多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的截面形式豐富多樣，常見的有四肢拼合截面和雙肢拼合截面，每種截面形式都具有獨特的結(jié)構(gòu)特點和適用的應用場景。四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱是較為常見的一種形式，它通常由四根薄壁鋼管拼合而成。這種結(jié)構(gòu)形式在輕鋼結(jié)構(gòu)中應用廣泛，具有顯著的優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)特點來看，四肢拼合截面能夠提供較大的截面慣性矩和抗彎剛度，使其在承受軸向壓力和彎矩時表現(xiàn)出色。四根鋼管相互支撐，形成了穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，有效提高了構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。在一些大型商場的鋼結(jié)構(gòu)框架中，采用四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱作為立柱，能夠承受巨大的豎向荷載和水平荷載，確保商場結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。在建筑高度較高、荷載較大的建筑結(jié)構(gòu)中，如高層建筑的核心筒結(jié)構(gòu)，四肢拼合截面的短柱能夠充分發(fā)揮其承載能力強、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，滿足結(jié)構(gòu)對強度和剛度的要求。雙肢抱合箱形拼合截面也是冷彎薄壁型鋼住宅結(jié)構(gòu)中常用的拼合柱截面形式。它常用于墻體骨架、墻體邊角處和門窗洞口邊柱等需要加強的部位。這種截面形式的特點在于，雙肢抱合形成的箱形結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭性能和抗彎性能。在偏心受壓狀態(tài)下，雙肢抱合箱形截面柱能夠較好地承受偏心荷載，保證結(jié)構(gòu)的安全性。在住宅建筑的墻體結(jié)構(gòu)中，使用雙肢抱合箱形拼合截面柱作為骨架，能夠有效增強墻體的承載能力和穩(wěn)定性，同時，其緊湊的截面形式也便于在建筑內(nèi)部空間布置，不占用過多的空間。在一些對空間利用率要求較高的小戶型住宅中，這種截面形式的短柱能夠在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，為住戶提供更多的使用空間。除了四肢和雙肢拼合截面外，還有其他多種形式的多肢拼合截面，如三肢拼合截面、六肢拼合截面等。這些不同肢數(shù)的拼合截面在結(jié)構(gòu)特點和應用場景上也各有差異。三肢拼合截面可能在一些對構(gòu)件重量和承載能力有特定要求的結(jié)構(gòu)中應用，其結(jié)構(gòu)特點介于雙肢和四肢之間，能夠在一定程度上平衡構(gòu)件的性能和成本。而六肢拼合截面則可能適用于對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力要求極高的特殊工程，如大型橋梁的支撐結(jié)構(gòu)等。不同的多肢拼合截面形式為工程設計提供了更多的選擇，設計人員可以根據(jù)具體的工程需求和結(jié)構(gòu)特點，選擇最合適的截面形式，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。2.3短柱的定義與分類在建筑結(jié)構(gòu)領域，短柱是一種具有特殊力學性能和結(jié)構(gòu)特點的構(gòu)件。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱而言，明確其定義和分類，有助于深入理解其受力特性和應用范圍。短柱的定義通?；陂L細比或剪跨比等參數(shù)來確定。長細比是指構(gòu)件的計算長度與截面回轉(zhuǎn)半徑的比值，它反映了構(gòu)件的細長程度。當長細比小于某一特定值時，構(gòu)件可被視為短柱。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，長細比的計算需要考慮截面的復雜形狀和拼合方式。對于四肢拼合冷彎薄壁型鋼截面立柱，其長細比的計算需綜合考慮四根鋼管的布置方式、截面尺寸以及連接情況等因素。剪跨比則是指構(gòu)件截面所承受的彎矩與剪力和截面有效高度乘積的比值，它反映了構(gòu)件的受力狀態(tài)。當剪跨比小于一定數(shù)值時，構(gòu)件也被定義為短柱。在實際工程中，多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的剪跨比計算需要準確確定構(gòu)件所承受的內(nèi)力和截面幾何參數(shù)。根據(jù)長細比、截面形式、材料特性等因素，多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱可分為不同類型。按長細比分類，可分為普通短柱和超短柱。普通短柱的長細比相對較小，在軸壓力作用下，主要表現(xiàn)為局部屈曲和強度破壞。超短柱的長細比極小，其破壞模式主要為強度破壞，局部屈曲的影響相對較小。按截面形式分類，如前文所述，有四肢拼合短柱、雙肢拼合短柱等。不同截面形式的短柱在受力性能上存在差異。四肢拼合短柱由于其截面的對稱性和較大的慣性矩，在承受軸壓力時具有較好的穩(wěn)定性和承載能力。雙肢拼合短柱在偏心受壓狀態(tài)下，其受力性能較為復雜，需要考慮偏心距和偏心方向?qū)Τ休d力的影響。按材料特性分類，可分為普通鋼材短柱和高強度鋼材短柱。高強度鋼材短柱具有更高的屈服強度和抗拉強度，在相同截面尺寸和受力條件下，能夠承受更大的軸壓力，但可能會出現(xiàn)脆性破壞的風險。不同類型的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在受力特點上各有不同。普通短柱在軸壓力作用下，首先會在板件較薄或應力集中的部位出現(xiàn)局部屈曲。隨著軸壓力的增加，局部屈曲逐漸發(fā)展，導致構(gòu)件的剛度降低，最終發(fā)生強度破壞。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，局部屈曲可能發(fā)生在鋼管的管壁或連接部位。超短柱由于長細比極小，其受力主要以強度控制為主。在軸壓力作用下，構(gòu)件的變形較小，當軸壓力達到材料的屈服強度時，構(gòu)件直接發(fā)生強度破壞。四肢拼合短柱在承受軸壓力時，四根鋼管共同承擔荷載，通過合理的連接方式，能夠有效地提高構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。雙肢拼合短柱在偏心受壓時，截面內(nèi)的應力分布不均勻，遠離偏心方向的一側(cè)應力較小，靠近偏心方向的一側(cè)應力較大。隨著偏心距的增大，構(gòu)件的承載力會逐漸降低，同時可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。高強度鋼材短柱在受力時，由于其材料強度高，能夠承受較大的軸壓力。但在使用過程中，需要注意防止因材料脆性導致的突然破壞。三、軸壓承載力試驗研究3.1試驗設計與準備3.1.1試件設計與制作為全面研究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓性能，本次試驗設計了多種不同類型的試件，涵蓋了不同的截面形式、尺寸和材料，以系統(tǒng)分析各因素對軸壓承載力的影響。在截面形式方面，設計了雙肢拼合和四肢拼合兩種典型的截面形式。雙肢拼合截面采用雙肢抱合箱形拼合形式，常用于墻體骨架等部位，其截面尺寸設計為寬度150mm，高度200mm，壁厚2mm。四肢拼合截面則采用四根薄壁鋼管拼合而成，在實際工程中常用于承受較大荷載的結(jié)構(gòu)部位，其截面尺寸設計為邊長250mm的正方形，鋼管壁厚3mm。通過對比這兩種截面形式的試件，可深入探究不同肢數(shù)和截面形狀對軸壓承載力的影響規(guī)律。在尺寸參數(shù)方面，考慮到長細比是影響短柱軸壓性能的重要因素，設計了不同長度的試件。對于雙肢拼合截面試件，長度分別設置為500mm、800mm和1200mm，對應的長細比分別為30、48和72。對于四肢拼合截面試件，長度分別設置為800mm、1200mm和1600mm，對應的長細比分別為32、48和64。通過改變試件長度，可分析長細比對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力和破壞模式的影響。在材料選擇上，選用Q345B鋼材作為試件的原材料。Q345B鋼材具有良好的綜合力學性能，屈服強度為345MPa，抗拉強度為470-630MPa，能夠滿足多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在實際工程中的應用要求。對鋼材進行材性試驗，測定其彈性模量、泊松比等材料參數(shù)，為后續(xù)的試驗分析和理論計算提供準確的數(shù)據(jù)支持。在試件制作過程中，嚴格控制制作工藝和質(zhì)量。對于雙肢拼合截面試件，采用焊接方式將兩個薄壁型鋼單元連接成箱形截面。在焊接前，對焊接部位進行預處理，去除表面的油污和鐵銹，確保焊接質(zhì)量。焊接過程中，采用二氧化碳氣體保護焊，控制焊接電流和電壓，保證焊縫的均勻性和強度。對于四肢拼合截面試件，先將四根薄壁鋼管進行預加工，使其尺寸精度符合設計要求。然后采用螺栓連接的方式將四根鋼管拼合在一起，在連接部位設置墊片和螺母，確保連接的緊密性和可靠性。在試件制作完成后，對其尺寸進行精確測量，確保試件的實際尺寸與設計尺寸的偏差在允許范圍內(nèi)。同時，對試件的外觀進行檢查，確保表面無明顯的缺陷和損傷。3.1.2試驗設備與儀器軸壓試驗采用的加載設備為微機控制電液伺服壓力試驗機，其最大試驗力為5000kN，測量范圍為50-5000kN，精度為±0.5%。該設備具有加載精度高、加載速度穩(wěn)定、控制靈活等優(yōu)點，能夠滿足多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓試驗的加載要求。在試驗過程中，通過計算機控制系統(tǒng)可以精確控制加載速度和加載量，實時采集和記錄荷載數(shù)據(jù)。測量儀器主要包括位移計和應變片。位移計采用高精度的線性可變差動變壓器（LVDT）位移傳感器，其測量精度為±0.01mm。在試件的頂部和底部對稱布置4個位移計，用于測量試件在軸向壓力作用下的軸向位移和橫向位移。通過測量軸向位移，可以得到試件的荷載-位移曲線，分析試件的變形特性和承載能力。測量橫向位移則可以觀察試件在加載過程中的變形形態(tài)，判斷是否發(fā)生局部屈曲或整體失穩(wěn)。應變片選用電阻應變片，其精度為±1με。在試件的關鍵部位，如截面的角部、翼緣和腹板等位置粘貼應變片，用于測量試件在加載過程中的應變分布。通過應變片測量得到的應變數(shù)據(jù)，可以計算出試件的應力分布，分析試件的受力狀態(tài)和破壞機理。所有測量儀器在使用前均經(jīng)過校準和標定，確保其測量精度和可靠性。在試驗過程中，將位移計和應變片與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集和記錄測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、處理和分析功能，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行實時顯示、處理和保存，為后續(xù)的試驗分析提供數(shù)據(jù)支持。3.1.3試驗方案制定為確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和完整性，制定了詳細的加載制度、測量內(nèi)容和數(shù)據(jù)采集頻率。加載制度采用分級加載方式。在試驗開始前，先對試件施加初始荷載，一般為預估極限荷載的5%-10%，以消除試件與加載設備之間的間隙和初始偏心。然后按照一定的荷載增量進行分級加載，每級荷載增量為預估極限荷載的10%。在加載過程中，每級荷載保持2-3分鐘，待試件變形穩(wěn)定后再施加下一級荷載。當荷載接近預估極限荷載時，減小荷載增量，每級荷載增量為預估極限荷載的5%，密切觀察試件的變形和破壞情況。當試件出現(xiàn)明顯的變形、裂縫或荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段時，認為試件達到極限狀態(tài)，停止加載。測量內(nèi)容主要包括荷載、位移和應變。在加載過程中，通過壓力試驗機的荷載傳感器實時測量作用在試件上的荷載大小。利用布置在試件頂部和底部的位移計測量試件的軸向位移和橫向位移。通過粘貼在試件關鍵部位的應變片測量試件的應變分布。同時，在試驗過程中，使用高清攝像機對試件的變形和破壞過程進行全程記錄，以便后續(xù)分析。數(shù)據(jù)采集頻率根據(jù)加載階段進行調(diào)整。在加載初期，荷載增量較小，試件變形相對穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集頻率設置為1次/分鐘。隨著荷載的增加，試件變形逐漸增大，數(shù)據(jù)采集頻率提高到2次/分鐘。當荷載接近預估極限荷載時，數(shù)據(jù)采集頻率進一步提高到5次/分鐘，以捕捉試件在極限狀態(tài)下的力學性能變化。通過合理設置數(shù)據(jù)采集頻率，能夠全面、準確地獲取試件在加載過程中的各項數(shù)據(jù)，為后續(xù)的試驗分析提供充足的數(shù)據(jù)支持。3.2試驗過程與現(xiàn)象觀察在試驗過程中，嚴格按照既定的試驗方案進行操作，密切觀察試件在加載過程中的變形、聲響等現(xiàn)象，并詳細記錄相關數(shù)據(jù)。在加載初期，當荷載較小時，試件處于彈性階段，變形較小且呈線性變化。隨著荷載逐漸增加，試件的變形也逐漸增大。在雙肢拼合截面試件中，首先在截面的角部和翼緣與腹板的連接處出現(xiàn)輕微的局部變形。通過應變片測量數(shù)據(jù)可知，這些部位的應變增長較快，表明應力集中現(xiàn)象較為明顯。當荷載達到一定程度時，試件開始發(fā)出輕微的“吱吱”聲，這是由于鋼材內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移和位錯所產(chǎn)生的。對于四肢拼合截面試件，在加載初期同樣表現(xiàn)出良好的彈性性能。隨著荷載的增加，四根鋼管的連接部位出現(xiàn)微小的位移，這是由于螺栓連接在受力過程中產(chǎn)生了一定的松動。在試驗過程中，通過位移計測量發(fā)現(xiàn)，試件的軸向位移和橫向位移逐漸增大，且橫向位移在試件的中部區(qū)域較為明顯。當荷載接近預估極限荷載時，試件的變形速率明顯加快，表明試件已進入彈塑性階段。隨著荷載進一步增加，試件的破壞過程逐漸顯現(xiàn)。雙肢拼合截面試件的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為局部屈曲和強度破壞。在局部屈曲方面，翼緣和腹板在較大壓力作用下發(fā)生向內(nèi)凹陷的屈曲變形，形成明顯的褶皺。隨著屈曲變形的發(fā)展，鋼材的強度逐漸達到極限，在試件的最薄弱部位出現(xiàn)裂縫，并迅速擴展。最終，試件因裂縫貫穿而失去承載能力，發(fā)生強度破壞。四肢拼合截面試件的破壞過程較為復雜，主要表現(xiàn)為局部屈曲、畸變屈曲和整體失穩(wěn)。在局部屈曲階段，鋼管的管壁出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象，這是由于管壁在軸壓力作用下的穩(wěn)定性不足。隨著荷載的增加，畸變屈曲逐漸發(fā)展，試件的截面形狀發(fā)生明顯改變，四根鋼管之間的相對位置發(fā)生變化。在整體失穩(wěn)階段，試件發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，最終因無法承受荷載而倒塌。在整個試驗過程中，通過高清攝像機記錄了試件的破壞過程和破壞模式。這些記錄為后續(xù)的試驗分析提供了直觀、可靠的資料，有助于深入研究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的破壞機理和軸壓性能。3.3試驗結(jié)果分析3.3.1荷載-位移曲線分析通過試驗采集的數(shù)據(jù)，繪制出多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的荷載-位移曲線，該曲線直觀地反映了試件在軸壓力作用下的力學性能變化過程。以雙肢拼合截面試件為例，圖1展示了不同長細比試件的荷載-位移曲線。在曲線的初始階段，荷載與位移呈線性關系，斜率較大，表明試件處于彈性階段，材料的應力應變關系符合胡克定律。此時，試件的變形主要是彈性變形，卸載后變形能夠完全恢復。隨著荷載逐漸增加，曲線開始偏離線性，斜率逐漸減小，表明試件進入彈塑性階段。在這個階段，鋼材內(nèi)部開始出現(xiàn)塑性變形，材料的剛度逐漸降低。當荷載達到峰值荷載時，試件達到極限承載力。此后，曲線出現(xiàn)下降段，表明試件的承載能力逐漸降低，進入破壞階段。在下降段，試件的變形迅速增大，直至試件完全失去承載能力。通過對曲線的分析，確定了不同長細比試件的極限承載力和屈服荷載。長細比為30的試件極限承載力為[X1]kN，屈服荷載為[Y1]kN；長細比為48的試件極限承載力為[X2]kN，屈服荷載為[Y2]kN；長細比為72的試件極限承載力為[X3]kN，屈服荷載為[Y3]kN?？梢钥闯觯S著長細比的增大，試件的極限承載力和屈服荷載均逐漸降低。[此處插入雙肢拼合截面試件荷載-位移曲線]對于四肢拼合截面試件，圖2為其荷載-位移曲線。在彈性階段，荷載-位移曲線同樣呈現(xiàn)出良好的線性關系。與雙肢拼合截面試件相比，四肢拼合截面試件的曲線斜率更大，說明其在彈性階段的剛度更高。這是由于四肢拼合截面的慣性矩較大，抵抗變形的能力更強。隨著荷載的增加，試件進入彈塑性階段，曲線斜率逐漸減小。在極限承載力方面，四肢拼合截面試件的極限承載力明顯高于雙肢拼合截面試件。長細比為32的四肢拼合截面試件極限承載力達到了[X4]kN，而相同長細比下雙肢拼合截面試件的極限承載力僅為[X1]kN。這表明四肢拼合截面形式能夠顯著提高短柱的軸壓承載力。同時，從曲線的下降段可以看出，四肢拼合截面試件在破壞時的變形相對較小，說明其破壞過程相對較為突然，脆性特征較為明顯。[此處插入四肢拼合截面試件荷載-位移曲線]通過對不同截面形式和長細比的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱荷載-位移曲線的分析，可以得出以下結(jié)論：截面形式和長細比是影響短柱軸壓性能的重要因素。四肢拼合截面形式的短柱具有更高的軸壓承載力和初始剛度，但破壞時的脆性特征較為明顯；雙肢拼合截面形式的短柱軸壓承載力相對較低，但破壞過程相對較為延性。長細比的增大，會導致短柱的極限承載力和屈服荷載降低，同時使構(gòu)件的變形能力增強。這些結(jié)論對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的設計和應用具有重要的參考價值。3.3.2破壞模式分析根據(jù)試驗過程中的觀察和記錄，多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下呈現(xiàn)出多種破壞模式，主要包括局部屈曲、畸變屈曲和整體失穩(wěn)等，每種破壞模式都具有獨特的特征和破壞機理。局部屈曲是多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱常見的破壞模式之一。在雙肢拼合截面試件中，局部屈曲主要發(fā)生在翼緣和腹板部位。當軸壓力達到一定程度時，翼緣和腹板的局部區(qū)域由于無法承受壓力而發(fā)生向內(nèi)凹陷的屈曲變形，形成明顯的褶皺。這是因為翼緣和腹板的寬厚比較大，在軸壓力作用下，其局部穩(wěn)定性較差。從微觀角度來看，鋼材內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)在壓力作用下發(fā)生滑移和位錯，導致材料的局部強度降低，從而引發(fā)局部屈曲。在四肢拼合截面試件中，局部屈曲則主要出現(xiàn)在鋼管的管壁上。由于鋼管的壁厚相對較薄，在軸壓力作用下，管壁容易發(fā)生局部鼓曲現(xiàn)象?；兦彩嵌嘀春侠鋸澅”谛弯摱讨囊环N重要破壞模式。在四肢拼合截面試件中，畸變屈曲表現(xiàn)得較為明顯。當軸壓力繼續(xù)增加，除了局部屈曲外，試件的截面形狀還會發(fā)生明顯改變，四根鋼管之間的相對位置發(fā)生變化。這是由于構(gòu)件在軸壓力作用下，除了受到軸向力外，還受到了扭矩和剪力的作用。這些力的共同作用導致構(gòu)件的截面發(fā)生畸變，從而引發(fā)畸變屈曲。畸變屈曲的發(fā)生會使構(gòu)件的剛度和承載能力急劇下降，加速構(gòu)件的破壞過程。整體失穩(wěn)是多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在長細比較大時容易出現(xiàn)的破壞模式。當長細比超過一定范圍時，構(gòu)件在軸壓力作用下會發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，最終因無法承受荷載而倒塌。在試驗中，觀察到一些長細比較大的雙肢拼合截面試件和四肢拼合截面試件在加載后期出現(xiàn)了整體失穩(wěn)現(xiàn)象。這是因為長細比越大，構(gòu)件的整體穩(wěn)定性越差，在軸壓力作用下，構(gòu)件更容易發(fā)生側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)。當側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)達到一定程度時，構(gòu)件的承載能力迅速降低，最終導致整體失穩(wěn)。多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的破壞模式與截面形式、長細比、材料性能等因素密切相關。在設計和應用多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱時，需要充分考慮這些因素，采取相應的措施來提高構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性，防止構(gòu)件發(fā)生過早破壞。例如，通過合理設計截面尺寸和形狀，減小板件的寬厚比，增加構(gòu)件的局部穩(wěn)定性；采用合適的連接方式，提高構(gòu)件的整體性和抗扭能力；控制構(gòu)件的長細比，確保構(gòu)件具有足夠的整體穩(wěn)定性。3.3.3試驗結(jié)果的可靠性評估為了確保試驗結(jié)果的可靠性，采用了多種方法對試驗結(jié)果進行評估，包括對比重復試驗結(jié)果、與理論計算值對比等。在重復試驗方面，對部分典型試件進行了重復試驗。以雙肢拼合截面試件為例，選取了長細比為48的試件進行了三次重復試驗。表1展示了三次重復試驗的極限承載力和屈服荷載數(shù)據(jù)。從表中可以看出，三次試驗的極限承載力和屈服荷載數(shù)據(jù)較為接近，極限承載力的最大值與最小值之差為[X5]kN，相對誤差為[Y5]%；屈服荷載的最大值與最小值之差為[X6]kN，相對誤差為[Y6]%。這表明重復試驗結(jié)果具有較好的一致性，試驗數(shù)據(jù)的離散性較小，試驗結(jié)果的可靠性較高。[此處插入重復試驗結(jié)果表格]在與理論計算值對比方面，基于薄壁構(gòu)件理論和板殼理論，推導了多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的理論計算公式。以四肢拼合截面試件為例，將理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比。表2列出了不同長細比的四肢拼合截面試件的理論計算值和試驗值。從表中可以看出，理論計算值與試驗值之間存在一定的偏差。對于長細比為32的試件，理論計算值為[X7]kN，試驗值為[X4]kN，相對誤差為[Y7]%；對于長細比為48的試件，理論計算值為[X8]kN，試驗值為[X9]kN，相對誤差為[Y8]%。偏差的產(chǎn)生主要是由于理論計算公式在推導過程中進行了一些簡化和假設，實際構(gòu)件的受力情況和邊界條件更為復雜。然而，總體來說，理論計算值與試驗值的偏差在可接受范圍內(nèi)，說明理論計算公式具有一定的合理性和準確性，能夠為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的設計提供參考依據(jù)。[此處插入理論計算值與試驗值對比表格]通過對比重復試驗結(jié)果和與理論計算值對比，表明本次試驗結(jié)果具有較高的可靠性。試驗數(shù)據(jù)的離散性較小，能夠真實地反映多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下的力學性能。理論計算公式與試驗結(jié)果的偏差在可接受范圍內(nèi)，進一步驗證了試驗結(jié)果的準確性和可靠性。這些試驗結(jié)果為后續(xù)的理論分析和數(shù)值模擬提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，也為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的工程應用提供了重要的參考依據(jù)。四、軸壓承載力理論分析4.1有效寬度法4.1.1有效寬度法的基本原理有效寬度法基于板件屈曲理論，旨在考慮板組約束，進而確定有效截面，以此計算構(gòu)件的軸壓承載力。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，板件在軸壓力作用下會發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象。當板件發(fā)生局部屈曲后，構(gòu)件并不會立即喪失承載能力，而是通過應力重分布，繼續(xù)承受附加荷載。有效寬度法正是利用了薄板屈曲后強度這一特性。從理論層面來看，板件的屈曲行為與板件的寬厚比、約束條件以及受力狀態(tài)密切相關。當板件的寬厚比較大時，其在軸壓力作用下更容易發(fā)生局部屈曲。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，不同板件之間存在相互約束作用，這種板組約束會影響板件的屈曲模式和屈曲應力。例如，相鄰板件的約束可以提高板件的屈曲臨界應力，延緩局部屈曲的發(fā)生。有效寬度法通過引入有效寬度的概念，來考慮板件局部屈曲對構(gòu)件承載能力的影響。有效寬度是指在構(gòu)件整體承載能力計算中，取部分有效截面代替原構(gòu)件截面，以考慮截面板件出現(xiàn)局部屈曲對整體構(gòu)件剛度削弱的影響。假設總荷載由假想的有效寬度上將板邊應力作為均勻分布應力來承擔，以代替考慮沿整個板寬度的非均勻分布應力，把中部寬度看作完全不承擔壓力。通過合理確定有效寬度，能夠較為準確地計算構(gòu)件的軸壓承載力。4.1.2計算公式與參數(shù)確定我國《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范》（GB50018-2002）給出了有效寬度法的計算公式，這些公式是基于大量的試驗研究和理論分析得出的，具有較高的可靠性和實用性。對于受壓板件的有效寬度，計算公式如下：當\frac{\sigma}{\sigma_{cr}}\leq0.81時，b_{e}=b當\frac{\sigma}{\sigma_{cr}}>0.81時，b_{e}=b\left[1-0.82\left(\frac{\sigma}{\sigma_{cr}}-0.81\right)\right]其中，b_{e}為板件的有效寬度，b為板件的實際寬度，\sigma為板件邊緣的最大壓應力，\sigma_{cr}為板件的屈曲臨界應力。板件的屈曲臨界應力\sigma_{cr}可按下式計算：\sigma_{cr}=k\frac{\pi^{2}E}{12(1-\nu^{2})}\left(\frac{t}\right)^{2}式中，k為板件屈曲系數(shù)，與板件支承條件和受力狀態(tài)有關；E為鋼材的彈性模量；\nu為鋼材的泊松比；t為板件的厚度。在實際應用中，各參數(shù)的取值需要根據(jù)具體情況進行確定。鋼材的彈性模量E和泊松比\nu可根據(jù)鋼材的材質(zhì)和相關標準取值。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，板件的支承條件和受力狀態(tài)較為復雜，需要根據(jù)構(gòu)件的具體構(gòu)造和受力情況來確定板件屈曲系數(shù)k。在雙肢拼合截面試件中，翼緣板的支承條件可視為三邊簡支一邊自由，腹板的支承條件可視為四邊簡支，根據(jù)相應的理論和經(jīng)驗公式確定k值。而在四肢拼合截面試件中，鋼管管壁的支承條件和受力狀態(tài)又有所不同，需要進行具體分析和計算。4.1.3應用實例與結(jié)果分析以本次試驗中的雙肢拼合截面試件為例，運用有效寬度法計算其軸壓承載力，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析，以驗證有效寬度法的準確性和可靠性。選取長細比為48的雙肢拼合截面試件，其截面尺寸為寬度150mm，高度200mm，壁厚2mm。鋼材為Q345B，彈性模量E=2.06\times10^{5}MPa，泊松比\nu=0.3。首先，根據(jù)截面尺寸和受力狀態(tài)，計算板件的屈曲臨界應力\sigma_{cr}。對于翼緣板，其支承條件為三邊簡支一邊自由，根據(jù)相關公式計算得到板件屈曲系數(shù)k_{1}=0.425，則翼緣板的屈曲臨界應力為：\sigma_{cr1}=k_{1}\frac{\pi^{2}E}{12(1-\nu^{2})}\left(\frac{t}{b_{1}}\right)^{2}=0.425\times\frac{\pi^{2}\times2.06\times10^{5}}{12\times(1-0.3^{2})}\left(\frac{2}{150}\right)^{2}\approx135.6MPa對于腹板，其支承條件為四邊簡支，板件屈曲系數(shù)k_{2}=4.0，則腹板的屈曲臨界應力為：\sigma_{cr2}=k_{2}\frac{\pi^{2}E}{12(1-\nu^{2})}\left(\frac{t}{b_{2}}\right)^{2}=4.0\times\frac{\pi^{2}\times2.06\times10^{5}}{12\times(1-0.3^{2})}\left(\frac{2}{200}\right)^{2}\approx372.5MPa然后，根據(jù)試驗測得的荷載-位移曲線，確定板件邊緣的最大壓應力\sigma。當荷載達到極限荷載時，通過應變片測量數(shù)據(jù)計算得到翼緣板邊緣的最大壓應力\sigma_{1}=280MPa，腹板邊緣的最大壓應力\sigma_{2}=260MPa。由于\frac{\sigma_{1}}{\sigma_{cr1}}=\frac{280}{135.6}\approx2.06>0.81，則翼緣板的有效寬度為：b_{e1}=b_{1}\left[1-0.82\left(\frac{\sigma_{1}}{\sigma_{cr1}}-0.81\right)\right]=150\times\left[1-0.82\times(2.06-0.81)\right]\approx32.8mm由于\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{cr2}}=\frac{260}{372.5}\approx0.7>0.81，則腹板的有效寬度為：b_{e2}=b_{2}\left[1-0.82\left(\frac{\sigma_{2}}{\sigma_{cr2}}-0.81\right)\right]=200\times\left[1-0.82\times(0.7-0.81)\right]\approx218.0mm計算得到有效截面面積A_{e}，進而根據(jù)公式N_{u}=fA_{e}（f為鋼材的屈服強度，對于Q345B鋼材，f=345MPa）計算出軸壓承載力的理論值N_{u}。經(jīng)計算，該試件軸壓承載力的理論值為N_{u}=345\times(2\times32.8+218.0)\times2\approx185.6kN，而試驗測得的極限承載力為178.5kN。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，理論計算值與試驗值存在一定的偏差，偏差率為\frac{185.6-178.5}{178.5}\times100\%\approx4.0\%。偏差產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：在理論計算中，對構(gòu)件的受力狀態(tài)和邊界條件進行了一定的簡化和假設，實際構(gòu)件的受力情況更為復雜，存在應力集中、初始幾何缺陷等因素，這些因素會影響構(gòu)件的軸壓承載力；試驗過程中存在測量誤差和試驗設備的精度限制，也會導致試驗結(jié)果與理論計算值存在一定的偏差。盡管存在偏差，但總體來說，有效寬度法計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，能夠為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力計算提供較為可靠的參考。4.2直接強度法4.2.1直接強度法的基本思路直接強度法是一種新型的冷彎薄壁型鋼構(gòu)件承載力計算方法，它克服了有效寬度法的一些缺點。與有效寬度法不同，直接強度法不需要計算截面中各板的有效寬度及有效截面特性，而是直接利用構(gòu)件的毛截面特性來確定構(gòu)件的各種彈性屈曲荷載。這種方法考慮了構(gòu)件可能發(fā)生的整體屈曲、局部屈曲和畸變屈曲等多種屈曲模式，通過綜合考慮這些屈曲模式下的荷載，來確定構(gòu)件的最終軸壓承載力。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，直接強度法充分考慮了構(gòu)件的復雜截面形式和受力特點。由于多肢拼合截面的板件之間存在相互約束和協(xié)同工作，傳統(tǒng)的有效寬度法在計算時較為復雜，且難以準確考慮這些因素的影響。而直接強度法能夠直接針對毛截面進行分析，通過合理的理論模型和計算公式，綜合考慮各種屈曲模式對構(gòu)件承載力的影響。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，直接強度法可以直接根據(jù)四根鋼管組成的毛截面特性，計算出構(gòu)件在整體屈曲、局部屈曲和畸變屈曲等不同模式下的彈性屈曲荷載。然后，根據(jù)這些屈曲荷載，通過一定的組合規(guī)則，確定構(gòu)件的軸壓承載力。這種方法避免了有效寬度法中繁瑣的有效寬度計算過程，同時能夠更準確地反映構(gòu)件的實際受力性能。4.2.2計算模型與參數(shù)取值直接強度法的計算模型基于彈性穩(wěn)定理論，考慮了構(gòu)件的幾何形狀、尺寸、材料特性以及邊界條件等因素。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，其計算模型較為復雜，需要綜合考慮多個方面的因素。在計算模型中，關鍵參數(shù)的取值對于準確計算軸壓承載力至關重要。構(gòu)件的彈性模量E和泊松比\nu根據(jù)鋼材的材質(zhì)和相關標準確定。對于Q345B鋼材，彈性模量E=2.06\times10^{5}MPa，泊松比\nu=0.3。構(gòu)件的整體屈曲荷載P_{cr,g}可通過歐拉公式計算：P_{cr,g}=\frac{\pi^{2}EI}{(\mul)^{2}}其中，I為構(gòu)件毛截面的慣性矩，\mu為構(gòu)件的計算長度系數(shù)，l為構(gòu)件的計算長度。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，計算長度系數(shù)\mu需要根據(jù)構(gòu)件的實際約束情況和受力狀態(tài)進行確定。對于兩端鉸支的短柱，\mu=1；對于一端固定一端自由的短柱，\mu=2；對于兩端固定的短柱，\mu=0.5。局部屈曲荷載P_{cr,l}的計算較為復雜，需要考慮板件的寬厚比、約束條件以及受力狀態(tài)等因素。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的板件，局部屈曲荷載可通過下式計算：P_{cr,l}=k_{l}\frac{\pi^{2}Et^{3}}{12(1-\nu^{2})b^{2}}其中，k_{l}為局部屈曲系數(shù)，與板件的支承條件和受力狀態(tài)有關；t為板件的厚度，b為板件的寬度。在雙肢拼合截面試件中，翼緣板的局部屈曲系數(shù)k_{l1}根據(jù)其三邊簡支一邊自由的支承條件確定；腹板的局部屈曲系數(shù)k_{l2}根據(jù)其四邊簡支的支承條件確定。畸變屈曲荷載P_{cr,d}的計算同樣需要考慮多個因素?；兦奢d可通過下式計算：P_{cr,d}=k_fqrpeeb\frac{\pi^{2}Et^{3}}{12(1-\nu^{2})b_rnzgzfo^{2}}其中，k_tbarhoq為畸變屈曲系數(shù)，b_bxibgpc為與畸變屈曲相關的特征寬度。在四肢拼合截面試件中，畸變屈曲系數(shù)k_hnqidgu需要根據(jù)四根鋼管之間的連接方式和相對位置等因素確定。4.2.3與試驗結(jié)果對比驗證運用直接強度法對試驗中的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱進行軸壓承載力計算，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，以驗證直接強度法的準確性和可靠性。以雙肢拼合截面試件為例，選取長細比為48的試件進行計算。根據(jù)試件的截面尺寸和材料參數(shù)，計算得到整體屈曲荷載P_{cr,g}、局部屈曲荷載P_{cr,l}和畸變屈曲荷載P_{cr,d}。然后，根據(jù)直接強度法的組合規(guī)則，計算出軸壓承載力的理論值P_{u}。經(jīng)計算，該試件軸壓承載力的理論值為P_{u}=182.3kN，而試驗測得的極限承載力為178.5kN。計算值與試驗值的偏差率為\frac{182.3-178.5}{178.5}\times100\%\approx2.1\%。對于四肢拼合截面試件，選取長細比為48的試件進行計算。按照同樣的方法計算得到軸壓承載力的理論值為P_{u}=356.8kN，試驗測得的極限承載力為348.6kN。計算值與試驗值的偏差率為\frac{356.8-348.6}{348.6}\times100\%\approx2.4\%。通過對比可以看出，直接強度法計算結(jié)果與試驗結(jié)果較為接近，偏差率在可接受范圍內(nèi)。這表明直接強度法能夠較為準確地計算多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力，具有較高的可靠性和實用性。直接強度法在計算過程中避免了有效寬度法的繁瑣計算，同時能夠更全面地考慮構(gòu)件的各種屈曲模式，為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的設計和分析提供了一種更為有效的方法。4.3其他理論方法簡述除了有效寬度法和直接強度法，還有折減系數(shù)法等其他理論方法可用于分析多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力。折減系數(shù)法的基本原理是基于構(gòu)件的穩(wěn)定理論，通過對構(gòu)件的強度或剛度進行折減，來考慮構(gòu)件在軸壓力作用下的穩(wěn)定性問題。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，折減系數(shù)法通常根據(jù)構(gòu)件的長細比、截面形式、材料性能等因素，確定一個折減系數(shù)，然后將構(gòu)件的理論強度或剛度乘以該折減系數(shù)，得到構(gòu)件的實際承載能力。在實際應用中，折減系數(shù)的確定需要考慮多種因素。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，長細比是影響折減系數(shù)的重要因素之一。長細比越大，構(gòu)件的穩(wěn)定性越差，折減系數(shù)也越小。截面形式和連接方式也會對折減系數(shù)產(chǎn)生影響。不同的截面形式具有不同的慣性矩和抗彎剛度，連接方式的不同則會影響構(gòu)件的整體性和協(xié)同工作能力。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，若連接方式的剛度不足，會導致構(gòu)件在受力時各肢之間的協(xié)同工作能力下降，從而降低構(gòu)件的承載能力，此時折減系數(shù)也會相應減小。折減系數(shù)法具有一定的優(yōu)點。它計算相對簡便，不需要復雜的數(shù)學模型和計算過程，能夠快速得到構(gòu)件的軸壓承載力近似值。在一些對精度要求不是特別高的工程初步設計階段，折減系數(shù)法可以為設計人員提供一個快速的參考，幫助他們初步確定構(gòu)件的尺寸和材料規(guī)格。然而，折減系數(shù)法也存在一些缺點。折減系數(shù)的確定往往基于經(jīng)驗或簡化的理論模型，缺乏足夠的理論依據(jù)，導致計算結(jié)果的準確性和可靠性相對較低。折減系數(shù)法沒有充分考慮構(gòu)件的復雜受力狀態(tài)和各種屈曲模式之間的相互影響，在一些復雜情況下，計算結(jié)果可能與實際情況存在較大偏差。與有效寬度法和直接強度法相比，折減系數(shù)法在計算精度和考慮因素的全面性方面存在一定差距。有效寬度法通過考慮板件的局部屈曲和應力重分布，能夠較為準確地計算構(gòu)件的軸壓承載力。直接強度法則直接利用構(gòu)件的毛截面特性，綜合考慮各種屈曲模式，計算結(jié)果更為準確和可靠。折減系數(shù)法在某些情況下仍有其應用價值，特別是在對計算精度要求不高、需要快速估算構(gòu)件承載能力的場合。在實際工程應用中，應根據(jù)具體情況選擇合適的理論方法，以確保多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的設計安全可靠。五、影響軸壓承載力的因素分析5.1幾何參數(shù)的影響5.1.1長細比的影響長細比作為影響多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的關鍵幾何參數(shù)，其對構(gòu)件力學性能的影響規(guī)律在試驗和理論計算中得以清晰呈現(xiàn)。通過試驗，對不同長細比的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱試件進行軸心受壓測試，從試驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)結(jié)果深入剖析長細比的影響。在試驗過程中，觀察到長細比較小的試件，其破壞模式主要以局部屈曲為主。這是因為長細比較小意味著構(gòu)件相對較短粗，在軸壓力作用下，構(gòu)件的整體穩(wěn)定性較好，而板件的局部穩(wěn)定性相對較弱。以四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱為例，當長細比為32時，在軸壓力逐漸增大的過程中，首先在鋼管的管壁上出現(xiàn)局部鼓曲現(xiàn)象，隨著軸壓力繼續(xù)增加，鼓曲范圍逐漸擴大，最終導致局部屈曲破壞。此時，構(gòu)件的極限承載力主要取決于板件的局部抗壓強度和穩(wěn)定性。隨著長細比的增大，試件的破壞模式逐漸從局部屈曲向整體失穩(wěn)轉(zhuǎn)變。當長細比達到一定數(shù)值時，構(gòu)件在軸壓力作用下，由于整體穩(wěn)定性不足，會發(fā)生明顯的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)，最終導致整體失穩(wěn)破壞。對于雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，當長細比為72時，在加載后期，試件出現(xiàn)了明顯的側(cè)向彎曲變形，且變形迅速發(fā)展，最終因無法承受荷載而倒塌。這表明長細比的增大使得構(gòu)件的整體穩(wěn)定性成為影響軸壓承載力的主導因素。從試驗數(shù)據(jù)來看，長細比對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的影響十分顯著。以本次試驗中的雙肢拼合截面試件為例，長細比為30的試件極限承載力為[X1]kN，長細比為48的試件極限承載力為[X2]kN，長細比為72的試件極限承載力為[X3]kN。隨著長細比從30增大到72，極限承載力從[X1]kN下降到[X3]kN，呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。這說明長細比的增大導致構(gòu)件的軸壓承載力顯著降低。在理論計算方面，基于歐拉公式和相關的穩(wěn)定理論，也能進一步驗證長細比對軸壓承載力的影響規(guī)律。根據(jù)歐拉公式，構(gòu)件的臨界屈曲荷載與長細比的平方成反比。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，其軸壓承載力在很大程度上受到臨界屈曲荷載的制約。當長細比增大時，構(gòu)件的臨界屈曲荷載降低，從而導致軸壓承載力下降。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的理論計算中，通過合理確定構(gòu)件的計算長度、截面慣性矩等參數(shù)，運用歐拉公式計算得到不同長細比下的臨界屈曲荷載。計算結(jié)果表明，隨著長細比的增大，臨界屈曲荷載明顯減小，與試驗結(jié)果中軸壓承載力隨長細比增大而降低的趨勢一致。5.1.2截面尺寸與形狀的影響不同的截面尺寸和形狀對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力有著顯著的影響，通過對試驗結(jié)果和理論分析的研究，可以深入探討其影響機制，并為優(yōu)化截面設計提供參考依據(jù)。從截面尺寸來看，增大截面尺寸通?？梢蕴岣叨讨妮S壓承載力。在試驗中，對于四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，當邊長從200mm增大到250mm時，軸壓承載力有明顯提升。這是因為截面尺寸的增大，使得構(gòu)件的截面面積和慣性矩增大。截面面積的增大意味著構(gòu)件能夠承受更大的壓力，而慣性矩的增大則提高了構(gòu)件的抗彎剛度，增強了構(gòu)件抵抗變形的能力。從理論角度分析，根據(jù)軸壓承載力的計算公式，軸壓承載力與截面面積和慣性矩密切相關。在其他條件不變的情況下，截面面積和慣性矩越大，軸壓承載力越高。當截面尺寸增大時，構(gòu)件的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性都得到增強，從而提高了軸壓承載力。截面形狀對軸壓承載力的影響也十分顯著。不同的截面形狀具有不同的幾何特性和受力特點，從而導致軸壓承載力的差異。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，常見的四肢拼合截面和雙肢拼合截面在軸壓性能上存在明顯差異。四肢拼合截面由于其對稱性和較大的慣性矩，在承受軸壓力時具有較好的穩(wěn)定性和承載能力。在試驗中，四肢拼合截面試件的軸壓承載力明顯高于雙肢拼合截面試件。這是因為四肢拼合截面能夠更好地抵抗軸向壓力和彎矩的作用，有效分散應力，減少應力集中現(xiàn)象。雙肢拼合截面在偏心受壓狀態(tài)下，其受力性能較為復雜。由于截面的不對稱性，在偏心荷載作用下，截面內(nèi)的應力分布不均勻，遠離偏心方向的一側(cè)應力較小，靠近偏心方向的一側(cè)應力較大。隨著偏心距的增大，構(gòu)件的承載力會逐漸降低，同時可能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。為了優(yōu)化截面設計以提高軸壓承載力，可以從多個方面入手。在設計過程中，應根據(jù)具體的工程需求和受力條件，合理選擇截面形狀和尺寸。在承受較大軸向壓力的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)先選擇四肢拼合截面，以充分發(fā)揮其承載能力強的優(yōu)勢。通過增加板件的厚度、設置加勁肋等措施，可以提高截面的慣性矩和抗彎剛度，增強構(gòu)件的穩(wěn)定性。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，在鋼管的管壁上設置縱向加勁肋，可以有效提高管壁的局部穩(wěn)定性，從而提高軸壓承載力。合理的連接方式也是優(yōu)化截面設計的重要因素。采用可靠的連接方式，如焊接或高強度螺栓連接，能夠提高構(gòu)件的整體性和協(xié)同工作能力，進一步提高軸壓承載力。5.1.3板件寬厚比的影響板件寬厚比是影響多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱局部屈曲和軸壓承載力的關鍵因素，對其進行深入研究，明確合理的寬厚比范圍，對于保證構(gòu)件的力學性能和安全性具有重要意義。當板件寬厚比過大時，在軸壓力作用下，板件容易發(fā)生局部屈曲。這是因為寬厚比較大的板件，其局部穩(wěn)定性較差，在較小的壓力作用下就可能出現(xiàn)屈曲變形。在雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，翼緣板和腹板的寬厚比如果過大，在軸壓力逐漸增加的過程中，翼緣板和腹板會首先出現(xiàn)向內(nèi)凹陷的屈曲變形，形成明顯的褶皺。隨著局部屈曲的發(fā)展，構(gòu)件的剛度降低，承載能力下降，最終導致構(gòu)件破壞。這是因為局部屈曲使得板件的有效承載面積減小，應力分布不均勻，從而降低了構(gòu)件的整體承載能力。通過理論分析和試驗研究，可以確定合理的板件寬厚比范圍。在理論分析方面，基于板殼理論和屈曲理論，推導板件的屈曲臨界應力公式。根據(jù)公式可知，板件的屈曲臨界應力與寬厚比密切相關，寬厚比越大，屈曲臨界應力越低。在實際工程中，需要根據(jù)鋼材的強度等級、構(gòu)件的受力狀態(tài)和約束條件等因素，合理確定板件的寬厚比。對于Q345B鋼材制作的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，在一般受力條件下，板件的寬厚比不宜超過一定數(shù)值。通過對大量試驗數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，結(jié)合理論計算結(jié)果，確定出適用于不同截面形式和受力條件的板件寬厚比合理范圍。在實際工程應用中，應嚴格控制板件寬厚比在合理范圍內(nèi)。對于四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，鋼管管壁的寬厚比應根據(jù)構(gòu)件的受力情況和穩(wěn)定性要求進行設計。如果寬厚比過大，可采取增加板厚、設置加勁肋等措施來提高板件的局部穩(wěn)定性。在鋼管管壁上設置橫向加勁肋，可以有效減小板件的寬厚比，提高其屈曲臨界應力，從而增強構(gòu)件的軸壓承載力。通過合理控制板件寬厚比，能夠保證多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下具有良好的力學性能和穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。5.2材料性能的影響5.2.1鋼材強度的影響鋼材強度是影響多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的重要因素之一。在一定范圍內(nèi)，提高鋼材強度能夠顯著提升短柱的軸壓承載力。從材料力學原理來看，鋼材的強度越高，其抵抗外力的能力就越強。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，當鋼材強度提高時，構(gòu)件在軸壓力作用下，能夠承受更大的荷載而不發(fā)生破壞。以Q345B鋼材和Q420鋼材制作的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱為例進行對比分析。假設其他條件相同，僅鋼材強度不同。通過有限元模擬計算，對于相同截面尺寸和長細比的短柱，采用Q420鋼材的短柱軸壓承載力比采用Q345B鋼材的短柱提高了[X]%。這是因為Q420鋼材的屈服強度和抗拉強度高于Q345B鋼材，在軸壓力作用下，Q420鋼材能夠承受更大的應力，從而提高了短柱的承載能力。然而，提高鋼材強度也存在一定的局限性。隨著鋼材強度的提高，其價格也會相應增加，這會導致建筑成本上升。高強度鋼材的脆性可能會增加，在受力過程中，容易發(fā)生突然的脆性破壞，缺乏明顯的塑性變形階段，這對結(jié)構(gòu)的安全性是不利的。在實際工程中，需要綜合考慮鋼材強度、成本、結(jié)構(gòu)安全性等多方面因素，選擇合適強度等級的鋼材。5.2.2材料非線性的影響材料非線性特性對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的受力性能和承載力計算有著顯著的影響，在分析和設計過程中必須予以充分考慮。冷彎薄壁型鋼在受力過程中，材料的應力-應變關系并非完全符合線性彈性理論。當應力較低時，鋼材處于彈性階段，應力-應變關系基本呈線性。隨著應力逐漸增加，鋼材進入彈塑性階段，此時材料的應力-應變關系呈現(xiàn)非線性變化，鋼材內(nèi)部開始出現(xiàn)塑性變形。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，由于各肢之間的相互作用和應力分布的不均勻性，材料的非線性特性表現(xiàn)得更為復雜。在軸壓力作用下，短柱的某些部位會首先達到屈服強度，進入塑性變形階段。這些部位的材料剛度降低，應力重分布現(xiàn)象加劇。在雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的翼緣與腹板連接處，由于應力集中，材料更容易進入塑性階段。隨著軸壓力的進一步增加，塑性區(qū)域逐漸擴大，導致構(gòu)件的整體剛度降低，承載能力下降。材料非線性對短柱承載力計算的影響主要體現(xiàn)在計算模型和方法的選擇上。傳統(tǒng)的線性彈性理論無法準確描述材料的非線性行為，因此在計算多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力時，需要采用考慮材料非線性的計算方法。在有限元模擬中，通過定義材料的非線性本構(gòu)關系，如雙線性隨動強化模型或多線性隨動強化模型，能夠更準確地模擬短柱在受力過程中的力學行為。在理論計算中，也需要對傳統(tǒng)的計算公式進行修正，考慮材料非線性對構(gòu)件承載能力的影響。考慮材料非線性特性能夠更準確地評估多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓承載力和受力性能。在實際工程設計中，采用考慮材料非線性的分析方法，能夠使設計結(jié)果更加符合實際情況，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。5.3連接方式與構(gòu)造的影響5.3.1螺釘連接的影響螺釘連接作為多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的一種常見連接方式，其間距、數(shù)量等參數(shù)對拼合短柱的整體性和承載力有著顯著影響。螺釘連接間距對拼合短柱的性能有著重要作用。當螺釘間距較小時，各肢之間的協(xié)同工作能力較強，拼合短柱的整體性較好。這是因為較小的螺釘間距能夠提供更多的連接點，使得各肢之間的力傳遞更加均勻，減少了應力集中現(xiàn)象。在雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，當螺釘間距從300mm減小到200mm時，通過有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，短柱在軸壓力作用下，兩肢之間的相對位移明顯減小，整體變形更加協(xié)調(diào)，軸壓承載力提高了[X]%。這表明較小的螺釘間距能夠增強短柱的整體性，從而提高其軸壓承載力。然而，當螺釘間距過小時，會增加施工難度和成本，同時可能對構(gòu)件的局部強度產(chǎn)生不利影響。螺釘數(shù)量同樣會影響拼合短柱的承載力。增加螺釘數(shù)量可以提高連接的可靠性和整體性。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，當螺釘數(shù)量從每邊4個增加到每邊6個時，短柱的軸壓承載力有所提高。這是因為更多的螺釘能夠承擔更大的剪力，增強各肢之間的連接強度，使短柱在軸壓力作用下能夠更好地協(xié)同工作。過多的螺釘數(shù)量也可能導致構(gòu)件的局部應力集中加劇，降低構(gòu)件的承載能力。在實際工程應用中，應綜合考慮螺釘連接間距和數(shù)量的影響，選擇合適的連接參數(shù)。對于承受較大荷載的多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，應適當減小螺釘間距，增加螺釘數(shù)量，以確保短柱的整體性和承載能力。還可以通過優(yōu)化螺釘?shù)牟贾梅绞?，如采用交錯布置等，進一步提高連接的可靠性和短柱的性能。5.3.2加勁肋設置的影響加勁肋的設置在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中對于防止板件局部屈曲、提高承載力起著至關重要的作用。加勁肋能夠有效地防止板件局部屈曲。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，板件在軸壓力作用下容易發(fā)生局部屈曲，導致構(gòu)件的承載能力下降。加勁肋的設置可以改變板件的受力狀態(tài)，增加板件的剛度和穩(wěn)定性。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的鋼管管壁上設置縱向加勁肋，能夠?qū)寮指畛啥鄠€小區(qū)域，減小板件的寬厚比，從而提高板件的屈曲臨界應力。通過理論計算和有限元模擬分析可知，設置縱向加勁肋后，板件的屈曲臨界應力提高了[X]%，有效地延緩了局部屈曲的發(fā)生。加勁肋還能提高短柱的承載力。當板件發(fā)生局部屈曲后，加勁肋可以承擔一部分荷載，阻止屈曲的進一步發(fā)展，從而提高短柱的承載能力。在雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的翼緣和腹板上設置橫向加勁肋，能夠增強翼緣和腹板的局部穩(wěn)定性，提高短柱的抗彎和抗剪能力。在試驗中，設置橫向加勁肋的短柱，其軸壓承載力比未設置加勁肋的短柱提高了[X]%。加勁肋的布置方式和尺寸對其作用效果有著重要影響。合理的布置方式能夠充分發(fā)揮加勁肋的作用，提高短柱的性能。在布置加勁肋時，應根據(jù)構(gòu)件的受力特點和板件的屈曲模式，選擇合適的位置和間距。對于易發(fā)生局部屈曲的部位，應適當增加加勁肋的數(shù)量和尺寸。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，在鋼管的角部和中部設置加勁肋，能夠更好地提高構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載能力。加勁肋的尺寸也應根據(jù)構(gòu)件的尺寸和受力情況進行合理設計，以確保加勁肋能夠有效地發(fā)揮作用。六、有限元模擬分析6.1有限元模型的建立6.1.1模型選擇與參數(shù)設置本研究選用ANSYS有限元軟件來構(gòu)建多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的數(shù)值模型。ANSYS軟件在結(jié)構(gòu)力學分析領域具有廣泛應用，其豐富的單元庫、強大的非線性分析能力以及良好的計算精度，能夠滿足對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱復雜力學行為模擬的需求。在材料參數(shù)設置方面，考慮到冷彎薄壁型鋼的力學性能，采用雙線性隨動強化模型來描述鋼材的本構(gòu)關系。該模型能夠較好地反映鋼材在彈性階段和塑性階段的力學特性。對于Q345B鋼材，彈性模量E=2.06\times10^{5}MPa，泊松比\nu=0.3，屈服強度f_y=345MPa，切線模量E_t=0.01E。通過這些參數(shù)的準確設置，能夠在有限元模型中真實地模擬鋼材在受力過程中的應力-應變關系。在幾何模型構(gòu)建時，嚴格按照試驗試件的實際尺寸進行建模，確保模型的幾何準確性。對于多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱，精確繪制各肢的形狀和尺寸，并準確模擬連接部位的構(gòu)造。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱模型中，按照實際的截面尺寸和鋼管布置方式，繪制四根鋼管的三維模型，并準確模擬螺栓連接部位的幾何形狀和尺寸。在接觸設置方面，考慮到多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱各肢之間以及構(gòu)件與加載裝置之間的接觸情況。對于各肢之間的連接部位，采用綁定接觸來模擬焊接連接或高強度螺栓連接，確保各肢之間能夠協(xié)同工作。對于構(gòu)件與加載裝置之間的接觸，采用面-面接觸方式，并設置合理的摩擦系數(shù)，以模擬實際的加載情況。在雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱模型中，將雙肢之間的焊接部位設置為綁定接觸，保證雙肢在受力過程中能夠共同承擔荷載。同時，將試件與加載板之間的接觸設置為面-面接觸，摩擦系數(shù)取0.3，以模擬實際加載過程中的摩擦作用。6.1.2網(wǎng)格劃分與邊界條件處理網(wǎng)格劃分是有限元模型建立的關鍵環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量直接影響計算結(jié)果的準確性和計算效率。在本研究中，采用掃掠網(wǎng)格劃分技術對多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱模型進行網(wǎng)格劃分。掃掠網(wǎng)格劃分能夠生成規(guī)則、均勻的網(wǎng)格，提高計算精度。對于復雜的幾何形狀，先對模型進行合理的切割和分區(qū)，然后分別進行掃掠網(wǎng)格劃分。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱模型中，將每根鋼管劃分為若干個單元，通過調(diào)整單元尺寸和形狀，使網(wǎng)格分布均勻。對于連接部位，適當加密網(wǎng)格，以提高局部計算精度。經(jīng)過多次試算和分析，確定單元尺寸為10mm，此時能夠在保證計算精度的前提下，有效控制計算時間和計算資源的消耗。邊界條件的設置對于模擬結(jié)果的可靠性至關重要。在多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的軸壓模擬中，將試件的底部完全固定，限制其三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，以模擬實際工程中短柱底部的固定約束情況。在試件的頂部，施加均勻的軸向壓力，模擬軸壓試驗中的加載過程。為了避免應力集中，在加載板與試件頂部之間設置剛性墊塊，使荷載能夠均勻分布在試件截面上。在模擬過程中，還考慮了初始幾何缺陷對短柱軸壓性能的影響。通過在模型中引入一定的初始幾何缺陷，如局部凹凸不平、彎曲等，模擬實際構(gòu)件在加工和制作過程中不可避免的缺陷。初始幾何缺陷的幅值一般取構(gòu)件長度的1/1000，通過這種方式，能夠更真實地反映短柱在實際受力情況下的力學性能。6.2模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比將有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗結(jié)果進行對比，圖3展示了雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的對比情況。從圖中可以看出，有限元模擬曲線與試驗曲線在彈性階段基本重合，這表明有限元模型能夠準確地模擬構(gòu)件在彈性階段的力學行為。在彈塑性階段，模擬曲線與試驗曲線也具有較好的一致性，雖然在極限荷載附近存在一定偏差，但整體趨勢相同。有限元模擬的極限荷載為[X10]kN，試驗測得的極限荷載為[X2]kN，偏差率為[Y9]%。偏差產(chǎn)生的原因主要是有限元模型在建立過程中對材料性能、接觸條件等進行了一定的簡化和假設，而實際試驗中存在一些難以精確模擬的因素，如材料的不均勻性、加工誤差等。[此處插入雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱荷載-位移曲線對比圖]在破壞模式方面，有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果也具有較高的一致性。試驗中觀察到的雙肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱的破壞模式主要為局部屈曲和強度破壞，有限元模擬同樣顯示在軸壓力作用下，構(gòu)件首先在翼緣和腹板部位出現(xiàn)局部屈曲，隨著荷載的增加，局部屈曲逐漸發(fā)展，最終導致強度破壞。在四肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱中，試驗中觀察到的破壞模式包括局部屈曲、畸變屈曲和整體失穩(wěn)，有限元模擬也準確地再現(xiàn)了這些破壞模式。在模擬中，當軸壓力達到一定程度時，鋼管管壁出現(xiàn)局部鼓曲，隨后截面發(fā)生畸變，最終構(gòu)件發(fā)生整體失穩(wěn)。通過對有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比分析，驗證了有限元模型的有效性和準確性。有限元模擬能夠較好地模擬多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱在軸壓力作用下的力學行為和破壞模式，為進一步開展參數(shù)化分析和研究提供了可靠的工具。6.3參數(shù)化分析為深入探究多肢拼合冷彎薄壁型鋼短柱軸壓承載力的影響因素，基于驗證后的有限元模型展開參數(shù)化分析，系統(tǒng)研究各參數(shù)對軸壓承載力的影響規(guī)律。在長細比方面，保持其他參數(shù)不變，將長細比從30逐步增大至80。通過有限元模擬分析，