開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)建筑材料和結(jié)構(gòu)的性能要求日益提高。高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)、加工便捷以及可回收利用等顯著優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際的建筑工程中，為了滿足通風(fēng)、管道鋪設(shè)、電氣線路安裝等功能需求，常常需要在高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱上進(jìn)行開(kāi)孔操作。然而，開(kāi)孔這一行為會(huì)不可避免地削弱鋼柱的截面面積，改變其應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)鋼柱的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，使其更容易發(fā)生局部-畸變相關(guān)屈曲現(xiàn)象。局部屈曲是指鋼柱的板件在壓力作用下發(fā)生的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，而畸變屈曲則是由于構(gòu)件的截面形狀改變而引起的屈曲形式。當(dāng)鋼柱開(kāi)孔后，局部屈曲和畸變屈曲往往會(huì)相互影響、相互耦合，形成局部-畸變相關(guān)屈曲。這種相關(guān)屈曲的力學(xué)性能十分復(fù)雜，其發(fā)生機(jī)制和影響因素尚未得到完全明確。如果在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中對(duì)這一問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，可能導(dǎo)致鋼柱在承受荷載時(shí)過(guò)早發(fā)生屈曲破壞，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的研究主要集中在未開(kāi)孔構(gòu)件的力學(xué)性能以及整體屈曲方面，對(duì)于開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的研究還相對(duì)較少。已有的研究成果在理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方面都存在一定的局限性，無(wú)法為實(shí)際工程提供全面、準(zhǔn)確的指導(dǎo)。因此，深入開(kāi)展開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。從理論意義層面來(lái)看，研究開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，有助于揭示其屈曲的內(nèi)在機(jī)制和影響因素，進(jìn)一步完善冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的屈曲理論。通過(guò)建立合理的理論模型和分析方法，可以為該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究提供新的思路和方法，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。在工程應(yīng)用價(jià)值方面，準(zhǔn)確掌握開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)研究成果，合理優(yōu)化鋼柱的開(kāi)孔位置、形狀和尺寸，選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種，從而提高鋼柱的承載能力和穩(wěn)定性，保障建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠。同時(shí)，這也有助于降低工程成本，提高建筑材料的利用率，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀冷彎薄壁型鋼憑借其輕質(zhì)、高強(qiáng)、加工便捷等優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國(guó)外對(duì)冷彎薄壁型鋼柱的研究起步較早，相關(guān)理論和規(guī)范相對(duì)成熟。早在20世紀(jì)中葉，美國(guó)、日本等國(guó)家就開(kāi)展了大量關(guān)于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和理論分析，建立了較為完善的設(shè)計(jì)理論和規(guī)范體系，如美國(guó)的《冷成型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范》（AISIS100）和澳大利亞/新西蘭的《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（AS/NZS4600）。這些規(guī)范為冷彎薄壁型鋼柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要依據(jù)，但對(duì)于開(kāi)孔構(gòu)件的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的研究仍有待深入。國(guó)內(nèi)對(duì)冷彎薄壁型鋼柱的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在構(gòu)件的基本力學(xué)性能、穩(wěn)定性能等方面取得了一定的成果?，F(xiàn)行的《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018）對(duì)冷彎薄壁型鋼柱的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做出了相關(guān)規(guī)定，但對(duì)于開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，尚未形成系統(tǒng)的理論和設(shè)計(jì)方法。在開(kāi)孔構(gòu)件方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些研究。國(guó)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了開(kāi)孔對(duì)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔會(huì)降低構(gòu)件的剛度和承載能力，且開(kāi)孔位置和形狀對(duì)構(gòu)件的性能影響顯著。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過(guò)對(duì)開(kāi)孔冷彎薄壁槽鋼柱的試驗(yàn)研究，得出了開(kāi)孔位置和尺寸與構(gòu)件承載力之間的關(guān)系。國(guó)內(nèi)學(xué)者也針對(duì)開(kāi)孔冷彎薄壁型鋼構(gòu)件展開(kāi)了研究，探討了開(kāi)孔形式、開(kāi)孔率等因素對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能的影響規(guī)律。如文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過(guò)有限元分析，研究了不同開(kāi)孔形狀和開(kāi)孔率對(duì)冷彎薄壁型鋼梁力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明圓形開(kāi)孔對(duì)梁的剛度和承載能力影響相對(duì)較小。關(guān)于局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的研究，國(guó)外在理論分析和試驗(yàn)研究方面較為深入。一些學(xué)者提出了考慮局部-畸變相關(guān)屈曲的理論模型和計(jì)算方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。例如，文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]基于能量法建立了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件局部-畸變相關(guān)屈曲的理論模型，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面也進(jìn)行了積極探索，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析了影響局部-畸變相關(guān)屈曲的因素。如文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)]通過(guò)有限元模擬，研究了構(gòu)件的板件寬厚比、卷邊尺寸等因素對(duì)局部-畸變相關(guān)屈曲的影響。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在冷彎薄壁型鋼柱、開(kāi)孔構(gòu)件以及局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處?，F(xiàn)有研究對(duì)于開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的研究還不夠全面和深入，缺乏系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。在數(shù)值模擬方面，模型的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高，部分影響因素尚未得到充分考慮。在試驗(yàn)研究方面，試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，不同試驗(yàn)條件下的結(jié)果對(duì)比分析不夠充分，難以形成具有廣泛適用性的結(jié)論。此外，現(xiàn)有研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用還存在一定的困難，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)指南和工程案例參考。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要研究開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，具體內(nèi)容如下：開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響：研究不同開(kāi)孔形狀（圓形、方形、矩形等）、開(kāi)孔位置（腹板、翼緣不同部位）以及開(kāi)孔尺寸（開(kāi)孔直徑、邊長(zhǎng)、面積等）對(duì)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響規(guī)律。通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，分析開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)，鋼柱的屈曲模式、屈曲荷載、變形特征等力學(xué)性能指標(biāo)的變化情況，建立開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)與局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能之間的關(guān)系模型。節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響：探討不同節(jié)點(diǎn)連接方式（焊接連接、螺栓連接、自攻螺釘連接等）對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響。分析節(jié)點(diǎn)連接的剛度、強(qiáng)度以及傳力機(jī)制對(duì)鋼柱整體受力性能的影響，研究節(jié)點(diǎn)連接方式與鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲之間的相互作用關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，評(píng)估不同節(jié)點(diǎn)連接方式下鋼柱的承載能力、穩(wěn)定性和破壞模式，為工程實(shí)踐中節(jié)點(diǎn)連接方式的選擇提供依據(jù)。鋼材品種對(duì)相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響：分析不同鋼材品種（Q345、Q420、Q550等高強(qiáng)鋼材）的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等）對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響。研究鋼材的強(qiáng)度等級(jí)、延性、冷彎性能等因素與局部-畸變相關(guān)屈曲的相關(guān)性，探討不同鋼材品種在開(kāi)孔鋼柱中的適用性。通過(guò)材性試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析，建立考慮鋼材品種影響的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能分析模型，為合理選用鋼材提供理論支持。建立局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能分析模型：綜合考慮開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等因素，建立開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的分析模型?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，運(yùn)用理論分析方法，推導(dǎo)相關(guān)屈曲的臨界荷載計(jì)算公式和力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)模型的驗(yàn)證和修正，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱在不同工況下的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，為工程設(shè)計(jì)和分析提供有效的工具。1.3.2研究方法本文采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作一系列開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱試件，對(duì)試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量試件的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布、屈曲模態(tài)等數(shù)據(jù)，觀察試件的破壞模式和變形過(guò)程。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果，獲取開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的第一手資料，為數(shù)值模擬和理論分析提供驗(yàn)證依據(jù)。試驗(yàn)研究包括試件設(shè)計(jì)與制作、試驗(yàn)加載與測(cè)量、試驗(yàn)結(jié)果分析等步驟。在試件設(shè)計(jì)階段，根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目的，確定試件的幾何尺寸、開(kāi)孔參數(shù)、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等；在試驗(yàn)加載階段，采用合適的加載設(shè)備和加載制度，對(duì)試件進(jìn)行逐級(jí)加載，直至試件破壞；在試驗(yàn)結(jié)果分析階段，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，總結(jié)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的變化規(guī)律。數(shù)值模擬：利用有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）建立開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的數(shù)值模型。在模型中，考慮鋼材的非線性本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性、接觸非線性等因素，模擬鋼柱在軸壓荷載作用下的受力過(guò)程和屈曲行為。通過(guò)數(shù)值模擬，分析不同參數(shù)對(duì)鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響，研究鋼柱的屈曲機(jī)理和破壞模式。數(shù)值模擬具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的工況進(jìn)行模擬分析，為試驗(yàn)研究提供補(bǔ)充和拓展。數(shù)值模擬包括模型建立、參數(shù)設(shè)置、模擬計(jì)算和結(jié)果分析等步驟。在模型建立階段，根據(jù)試驗(yàn)試件的尺寸和材料參數(shù)，建立準(zhǔn)確的有限元模型；在參數(shù)設(shè)置階段，合理設(shè)置材料參數(shù)、接觸參數(shù)、邊界條件等；在模擬計(jì)算階段，運(yùn)行模擬程序，得到鋼柱的受力和變形結(jié)果；在結(jié)果分析階段，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和數(shù)據(jù)分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。理論分析：基于彈性穩(wěn)定理論、塑性力學(xué)、薄壁構(gòu)件理論等相關(guān)理論，對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能進(jìn)行理論分析。推導(dǎo)考慮開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等因素的局部-畸變相關(guān)屈曲臨界荷載計(jì)算公式，建立力學(xué)性能分析模型。通過(guò)理論分析，揭示局部-畸變相關(guān)屈曲的內(nèi)在機(jī)制和影響因素，為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。理論分析包括屈曲理論研究、公式推導(dǎo)和模型建立等步驟。在屈曲理論研究階段，深入研究局部屈曲、畸變屈曲以及相關(guān)屈曲的理論基礎(chǔ)；在公式推導(dǎo)階段，根據(jù)理論研究結(jié)果，推導(dǎo)相關(guān)屈曲的臨界荷載計(jì)算公式；在模型建立階段，結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，建立考慮多種因素的力學(xué)性能分析模型。二、開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的基本理論2.1冷彎薄壁型鋼柱的特性2.1.1材料特性高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱所采用的鋼材，相較于普通鋼材，具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。例如，常見(jiàn)的Q420、Q550等高強(qiáng)鋼材，其屈服強(qiáng)度可分別達(dá)到420MPa和550MPa以上，這使得鋼柱在承受相同荷載時(shí)，能夠采用更薄的壁厚和更小的截面尺寸，從而有效減輕結(jié)構(gòu)自重。同時(shí)，高強(qiáng)鋼材還具有良好的冷彎性能，能夠在常溫下通過(guò)冷彎成型工藝加工成各種復(fù)雜的截面形狀，滿足不同工程的需求。然而，高強(qiáng)鋼材也存在一些不足之處，如彈性模量相對(duì)較低，在受力過(guò)程中更容易產(chǎn)生變形；延性較差，在破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的脆性，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能有一定影響。2.1.2截面形式冷彎薄壁型鋼柱的截面形式豐富多樣，常見(jiàn)的有矩形、方形、圓形、槽鋼形、卷邊槽形等。這些不同的截面形式具有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。矩形和方形截面具有較好的對(duì)稱(chēng)性和穩(wěn)定性，在雙向受力情況下表現(xiàn)出色，常用于框架結(jié)構(gòu)中的柱構(gòu)件；圓形截面的抗扭性能較好，適用于承受扭矩較大的結(jié)構(gòu)；槽鋼形和卷邊槽形截面則具有較高的抗彎剛度，常用于輕型鋼結(jié)構(gòu)中的檁條和墻梁等構(gòu)件。此外，為了進(jìn)一步提高鋼柱的力學(xué)性能，還可以對(duì)基本截面形式進(jìn)行改進(jìn)，如在腹板或翼緣上設(shè)置加勁肋，增加截面的慣性矩和抗屈曲能力。2.1.3優(yōu)勢(shì)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。首先是輕質(zhì)高強(qiáng)，由于采用了高強(qiáng)鋼材和薄壁設(shè)計(jì)，其單位重量較輕，能夠有效減輕建筑結(jié)構(gòu)的自重，降低基礎(chǔ)荷載，同時(shí)又能保持較高的承載能力，滿足各種建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。其次是加工便捷，冷彎成型工藝能夠在常溫下進(jìn)行，無(wú)需復(fù)雜的加熱和鍛造設(shè)備，加工過(guò)程簡(jiǎn)單、高效，能夠快速生產(chǎn)出各種規(guī)格和形狀的型鋼柱，提高施工效率。再者是可回收利用，鋼材是一種可回收的材料，在建筑結(jié)構(gòu)使用壽命結(jié)束后，高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱可以進(jìn)行回收再加工，減少資源浪費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。此外，冷彎薄壁型鋼柱還具有良好的裝配性，能夠通過(guò)螺栓連接、焊接等方式與其他構(gòu)件進(jìn)行快速組裝，便于現(xiàn)場(chǎng)施工，縮短工期。2.2局部屈曲與畸變屈曲的概念2.2.1局部屈曲局部屈曲是指在構(gòu)件的局部區(qū)域內(nèi)，板件由于承受的壓應(yīng)力超過(guò)其臨界屈曲應(yīng)力而發(fā)生的屈曲現(xiàn)象。在高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，局部屈曲通常發(fā)生在腹板和翼緣等板件上。其產(chǎn)生原因主要是板件的寬厚比較大，當(dāng)受到軸向壓力或其他荷載作用時(shí)，板件在局部范圍內(nèi)的剛度不足以抵抗壓力，從而導(dǎo)致板件發(fā)生局部的凸起或凹陷變形。從材料力學(xué)的角度來(lái)看，局部屈曲的發(fā)生與板件的彈性模量、泊松比、板件的厚度以及邊界條件等因素密切相關(guān)。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，對(duì)于四邊簡(jiǎn)支的矩形薄板，其在均勻壓力作用下的臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為：\sigma_{cr}=\frac{k\pi^2E}{12(1-\nu^2)}(\frac{t})^2，其中\(zhòng)sigma_{cr}為臨界屈曲應(yīng)力，k為屈曲系數(shù)，與板件的邊界條件有關(guān)；E為彈性模量；\nu為泊松比；t為板件厚度；b為板件的寬度。由此可見(jiàn)，當(dāng)板件的寬厚比\frac{t}增大時(shí)，臨界屈曲應(yīng)力會(huì)降低，板件更容易發(fā)生局部屈曲。在實(shí)際的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，板件的邊界條件往往較為復(fù)雜，并非完全的四邊簡(jiǎn)支。例如，腹板與翼緣的連接處、加勁肋與板件的連接處等，都會(huì)對(duì)板件的約束情況產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變板件的屈曲系數(shù)k。此外，鋼材的非線性特性、初始幾何缺陷以及殘余應(yīng)力等因素，也會(huì)對(duì)局部屈曲的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生重要影響。當(dāng)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱發(fā)生局部屈曲時(shí)，其外觀表現(xiàn)為板件的局部區(qū)域出現(xiàn)明顯的波浪狀變形，這種變形會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的局部剛度降低，進(jìn)而影響構(gòu)件的整體承載能力。2.2.2畸變屈曲畸變屈曲是一種較為復(fù)雜的屈曲形式，它是指構(gòu)件在荷載作用下，由于截面形狀的改變而引起的屈曲現(xiàn)象。在高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，畸變屈曲通常表現(xiàn)為翼緣和卷邊的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、板件交線的移動(dòng)以及截面輪廓尺寸的變化。與局部屈曲不同，畸變屈曲不僅僅是板件的局部失穩(wěn)，而是涉及到整個(gè)截面的幾何形狀改變?；兦漠a(chǎn)生原因較為復(fù)雜，主要包括以下幾個(gè)方面。首先，構(gòu)件的截面形式和尺寸對(duì)畸變屈曲有重要影響。例如，對(duì)于卷邊槽形截面的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱，卷邊的尺寸和形狀會(huì)影響截面的抗畸變能力。當(dāng)卷邊過(guò)窄或過(guò)薄時(shí)，卷邊在平面內(nèi)的剛度較小，容易發(fā)生屈曲，進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)板件一起屈曲，導(dǎo)致截面發(fā)生畸變。其次，荷載的作用方式和大小也會(huì)影響畸變屈曲的發(fā)生。當(dāng)構(gòu)件受到偏心荷載或較大的彎矩作用時(shí)，截面內(nèi)的應(yīng)力分布不均勻，更容易引發(fā)畸變屈曲。此外，構(gòu)件的初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力以及邊界條件等因素，也會(huì)對(duì)畸變屈曲的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生影響。從力學(xué)原理上分析，畸變屈曲的發(fā)生與構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度以及截面的翹曲約束等因素密切相關(guān)。當(dāng)構(gòu)件發(fā)生畸變屈曲時(shí)，截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，同時(shí)伴隨著板件的局部屈曲。這種復(fù)雜的變形模式使得畸變屈曲的分析和計(jì)算較為困難。在實(shí)際工程中，為了防止高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱發(fā)生畸變屈曲，可以采取增加卷邊尺寸、設(shè)置加勁肋、優(yōu)化截面形式等措施，提高構(gòu)件的抗畸變能力。當(dāng)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱發(fā)生畸變屈曲時(shí)，其截面形狀會(huì)發(fā)生明顯的改變，如翼緣和卷邊的相對(duì)位置發(fā)生變化，截面的對(duì)稱(chēng)性被破壞，這種變形會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力急劇下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性。2.3開(kāi)孔對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)制開(kāi)孔會(huì)不可避免地削弱高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的截面，改變其原有的應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)鋼柱的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。開(kāi)孔導(dǎo)致鋼柱截面面積減小，這直接削弱了鋼柱的承載能力。以圓形開(kāi)孔為例，當(dāng)在鋼柱腹板上開(kāi)設(shè)直徑為d的圓形孔時(shí)，根據(jù)截面面積計(jì)算公式A=A_0-\frac{\pid^2}{4}（其中A_0為未開(kāi)孔時(shí)的截面面積，A為開(kāi)孔后的截面面積），可知隨著開(kāi)孔直徑d的增大，截面面積A會(huì)相應(yīng)減小。這意味著鋼柱在承受軸向壓力時(shí)，有效承載的材料減少，從而降低了鋼柱的軸向抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，截面面積的減小也會(huì)導(dǎo)致鋼柱的抗彎和抗剪能力下降，因?yàn)榭箯澓涂辜魪?qiáng)度與截面的慣性矩和抗剪面積密切相關(guān)，而這些參數(shù)都會(huì)隨著截面面積的減小而減小。開(kāi)孔會(huì)在孔邊附近產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)鋼柱承受荷載時(shí)，由于開(kāi)孔處的截面突然變化，應(yīng)力無(wú)法均勻傳遞，導(dǎo)致孔邊附近的局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)理論，對(duì)于在無(wú)限大平板中開(kāi)圓形孔并承受均勻拉伸應(yīng)力的情況，孔邊的最大應(yīng)力是名義應(yīng)力的3倍。在實(shí)際的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，雖然情況更為復(fù)雜，但應(yīng)力集中現(xiàn)象同樣顯著。應(yīng)力集中會(huì)使孔邊的材料更容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，降低材料的彈性模量和屈服強(qiáng)度，進(jìn)而影響鋼柱的整體力學(xué)性能。隨著應(yīng)力集中程度的加劇，孔邊可能會(huì)出現(xiàn)微裂紋，這些微裂紋在荷載的持續(xù)作用下會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼柱的破壞。應(yīng)力集中還會(huì)改變鋼柱的應(yīng)力分布規(guī)律，使得鋼柱在開(kāi)孔部位的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。原本均勻分布的應(yīng)力在開(kāi)孔后會(huì)發(fā)生重新分布，除了軸向應(yīng)力外，還會(huì)產(chǎn)生較大的橫向應(yīng)力和剪應(yīng)力。這種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)加劇鋼柱的局部變形，促進(jìn)局部屈曲和畸變屈曲的發(fā)生和發(fā)展。在局部屈曲方面，應(yīng)力集中導(dǎo)致孔邊附近的板件更容易達(dá)到局部屈曲的臨界應(yīng)力，從而引發(fā)板件的局部失穩(wěn)。在畸變屈曲方面，復(fù)雜的應(yīng)力分布會(huì)改變截面的內(nèi)力平衡，使得翼緣和卷邊等部位更容易發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，進(jìn)而導(dǎo)致截面的畸變屈曲。開(kāi)孔對(duì)鋼柱的剛度也有明顯影響。剛度是衡量構(gòu)件抵抗變形能力的重要指標(biāo)，開(kāi)孔后鋼柱的剛度會(huì)降低，在相同荷載作用下，鋼柱的變形會(huì)增大。這不僅會(huì)影響鋼柱的正常使用性能，還會(huì)進(jìn)一步加劇鋼柱的應(yīng)力集中和屈曲現(xiàn)象。例如，在承受偏心荷載時(shí)，剛度降低的鋼柱會(huì)產(chǎn)生更大的附加彎矩，從而導(dǎo)致鋼柱的承載能力進(jìn)一步下降。開(kāi)孔還會(huì)影響鋼柱的屈曲模態(tài)。未開(kāi)孔的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱可能主要發(fā)生整體屈曲或局部屈曲，而開(kāi)孔后，由于截面的削弱和應(yīng)力分布的改變，局部-畸變相關(guān)屈曲的可能性會(huì)大大增加。局部屈曲和畸變屈曲會(huì)相互影響、相互耦合，使得鋼柱的屈曲行為更加復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和分析。三、試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)為深入探究開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，精心設(shè)計(jì)一系列試驗(yàn)。試驗(yàn)從試件設(shè)計(jì)、材料選擇、開(kāi)孔參數(shù)設(shè)置、加載制度以及測(cè)量方案這幾個(gè)關(guān)鍵方面展開(kāi)，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.1.1試件設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)多種不同規(guī)格的開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱試件。試件的截面形式選取常見(jiàn)且應(yīng)用廣泛的矩形和卷邊槽形，其中矩形截面尺寸設(shè)置為寬度b分別取80mm、100mm、120mm，高度h對(duì)應(yīng)取100mm、120mm、150mm，腹板厚度t_w和翼緣厚度t_f均設(shè)置為2mm、3mm、4mm三個(gè)等級(jí)；卷邊槽形截面的腹板高度h_w取120mm、150mm、180mm，翼緣寬度b_f取40mm、50mm、60mm，卷邊寬度c取15mm、20mm、25mm，腹板和翼緣厚度同樣設(shè)置2mm、3mm、4mm三個(gè)等級(jí)。試件長(zhǎng)度依據(jù)長(zhǎng)細(xì)比\lambda來(lái)確定，分別設(shè)置\lambda=30、50、70三種情況，通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)度L來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)于矩形截面，當(dāng)\lambda=30，b=100mm，h=120mm，t_w=t_f=3mm時(shí)，根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算公式\lambda=\frac{L}{i}（i為回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)于矩形截面i=\sqrt{\frac{I}{A}}，I為慣性矩，A為截面面積），可計(jì)算得到試件長(zhǎng)度L。3.1.2材料選擇選用Q420和Q550兩種高強(qiáng)鋼材作為試件材料。這兩種鋼材在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，Q420屈服強(qiáng)度達(dá)到420MPa，具有良好的綜合力學(xué)性能；Q550屈服強(qiáng)度高達(dá)550MPa，能滿足更高強(qiáng)度要求。在正式試驗(yàn)前，對(duì)每種鋼材制作標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，依據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB/T228.1-2010）進(jìn)行材性試驗(yàn)，獲取鋼材的彈性模量E、屈服強(qiáng)度f(wàn)_y、抗拉強(qiáng)度f(wàn)_u和泊松比\nu等關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，Q420鋼材彈性模量E=2.06×10^5MPa，屈服強(qiáng)度f(wàn)_y=435MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)_u=590MPa，泊松比\nu=0.3；Q550鋼材彈性模量E=2.03×10^5MPa，屈服強(qiáng)度f(wàn)_y=565MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)_u=720MPa，泊松比\nu=0.3。3.1.3開(kāi)孔參數(shù)設(shè)置在試件腹板和翼緣上開(kāi)設(shè)不同形狀和尺寸的孔洞。開(kāi)孔形狀包括圓形、方形和矩形，圓形孔直徑d分別取30mm、40mm、50mm；方形孔邊長(zhǎng)a分別取30mm、40mm、50mm；矩形孔尺寸設(shè)置為長(zhǎng)l分別取60mm、80mm、100mm，寬w分別取20mm、30mm、40mm。開(kāi)孔位置選取腹板中心、翼緣中心以及腹板與翼緣交界處等關(guān)鍵部位。例如，在腹板中心開(kāi)孔時(shí)，以腹板幾何中心為圓心或中心進(jìn)行開(kāi)孔；在翼緣中心開(kāi)孔時(shí)，以翼緣寬度和長(zhǎng)度方向的中心為基準(zhǔn)開(kāi)孔；在腹板與翼緣交界處開(kāi)孔時(shí)，使孔的一部分位于腹板，一部分位于翼緣，以研究交界處開(kāi)孔對(duì)力學(xué)性能的影響。3.1.4加載制度試驗(yàn)加載裝置采用1000kN的液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備精度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足試驗(yàn)加載要求。采用位移控制的加載方式，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB50205-2020）相關(guān)規(guī)定，在彈性階段，加載速率控制為0.5mm/min，緩慢施加荷載，確保試件受力均勻，每級(jí)荷載增量為預(yù)估極限荷載的10%，每級(jí)加載后持續(xù)穩(wěn)壓2min，便于觀察試件變形情況和測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)；當(dāng)試件進(jìn)入塑性階段后，加載速率調(diào)整為1mm/min，此時(shí)試件變形加速，適當(dāng)加快加載速率，同時(shí)密切關(guān)注試件的變形和破壞跡象，每級(jí)荷載增量調(diào)整為預(yù)估極限荷載的5%，直至試件破壞，記錄破壞時(shí)的極限荷載和變形數(shù)據(jù)。3.1.5測(cè)量方案在試件表面布置電阻應(yīng)變片，用于測(cè)量試件在加載過(guò)程中的應(yīng)變分布。在腹板和翼緣的關(guān)鍵部位，如孔邊、板件中心、板件邊緣等位置，沿縱向和橫向粘貼應(yīng)變片。例如，在孔邊附近，每隔5mm粘貼一個(gè)應(yīng)變片，以準(zhǔn)確測(cè)量孔邊應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)變變化；在板件中心和邊緣，根據(jù)板件尺寸合理布置應(yīng)變片，確保能夠全面獲取板件的應(yīng)變分布情況。使用電子位移計(jì)測(cè)量試件的軸向位移和側(cè)向位移，在試件頂部和底部的中心位置各布置一個(gè)軸向位移計(jì)，測(cè)量試件的軸向壓縮變形；在試件側(cè)面的中部和頂部，垂直于試件軸線方向布置側(cè)向位移計(jì)，測(cè)量試件的側(cè)向彎曲變形。采用高清攝像機(jī)對(duì)試件的屈曲過(guò)程進(jìn)行全程記錄，以便后續(xù)分析試件的屈曲模態(tài)和破壞形態(tài)，通過(guò)視頻圖像分析，能夠直觀地觀察到試件屈曲的起始位置、發(fā)展過(guò)程以及最終的破壞形式。3.2試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象在準(zhǔn)備階段，對(duì)加工完成的試件進(jìn)行全面檢查，確保其尺寸精度、開(kāi)孔位置和形狀等符合設(shè)計(jì)要求。使用精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺對(duì)試件的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量，包括截面尺寸、開(kāi)孔尺寸、試件長(zhǎng)度等，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，誤差均控制在允許范圍內(nèi)。對(duì)鋼材的表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保無(wú)明顯的缺陷、劃痕和銹蝕等情況，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)在專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，將試件準(zhǔn)確安裝在1000kN的液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，采用兩端鉸支的約束方式，模擬實(shí)際工程中鋼柱的受力狀態(tài)。在試件的兩端安裝特制的鉸支座，確保鉸支座能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，且與試件緊密接觸，使荷載能夠均勻傳遞。使用高強(qiáng)螺栓將鉸支座與試件連接牢固，并檢查連接的可靠性，避免在加載過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)或滑移現(xiàn)象。采用位移控制的加載方式，在彈性階段，加載速率控制為0.5mm/min，緩慢施加荷載，每級(jí)荷載增量為預(yù)估極限荷載的10%，每級(jí)加載后持續(xù)穩(wěn)壓2min，以便觀察試件變形情況和測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄電阻應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變數(shù)據(jù)和電子位移計(jì)測(cè)量的位移數(shù)據(jù)。當(dāng)荷載較小時(shí)，試件表面的應(yīng)變分布較為均勻，隨著荷載的逐漸增加，在開(kāi)孔邊緣的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度明顯加快，呈現(xiàn)出應(yīng)力集中的趨勢(shì)。在位移方面，軸向位移和側(cè)向位移均隨著荷載的增加而逐漸增大，且增長(zhǎng)較為線性。當(dāng)試件進(jìn)入塑性階段后，加載速率調(diào)整為1mm/min，此時(shí)試件變形加速，每級(jí)荷載增量調(diào)整為預(yù)估極限荷載的5%，密切關(guān)注試件的變形和破壞跡象。隨著荷載的進(jìn)一步增加，開(kāi)孔附近的鋼材開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變值迅速增大，且分布更加不均勻。在孔邊的某些部位，應(yīng)變值甚至超過(guò)了鋼材的屈服應(yīng)變。從位移變化來(lái)看，側(cè)向位移的增長(zhǎng)速度明顯加快，表明試件的穩(wěn)定性開(kāi)始下降。同時(shí)，通過(guò)高清攝像機(jī)觀察到，試件的腹板和翼緣開(kāi)始出現(xiàn)局部的凹凸變形，這是局部屈曲的前兆。繼續(xù)加載，試件的變形進(jìn)一步加劇，最終達(dá)到極限荷載。在極限荷載附近，試件的變形急劇增大，荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯的下降段。此時(shí)，觀察到試件發(fā)生了明顯的局部-畸變相關(guān)屈曲現(xiàn)象。在局部屈曲方面，腹板和翼緣的板件出現(xiàn)了嚴(yán)重的局部凹凸變形，形成了明顯的波浪狀褶皺，尤其是在開(kāi)孔周?chē)鷧^(qū)域，局部屈曲現(xiàn)象更為嚴(yán)重。在畸變屈曲方面，截面的形狀發(fā)生了顯著改變，翼緣和卷邊出現(xiàn)了相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，導(dǎo)致整個(gè)截面的幾何形狀不再規(guī)則，失去了原有的承載能力。以矩形截面開(kāi)孔試件為例，當(dāng)開(kāi)孔位于腹板中心時(shí)，在加載初期，腹板中心開(kāi)孔處的應(yīng)變率先增大，隨著荷載增加，孔邊附近的腹板區(qū)域出現(xiàn)局部屈曲，表現(xiàn)為腹板向孔內(nèi)凹陷，同時(shí)翼緣與腹板連接處也出現(xiàn)微小變形。當(dāng)荷載接近極限荷載時(shí)，翼緣開(kāi)始發(fā)生向外的翹曲變形，與腹板之間的夾角發(fā)生改變，截面出現(xiàn)畸變，最終導(dǎo)致構(gòu)件喪失承載能力。對(duì)于卷邊槽形截面開(kāi)孔試件，開(kāi)孔位于翼緣中心時(shí)，翼緣在開(kāi)孔周?chē)紫瘸霈F(xiàn)局部屈曲，表現(xiàn)為翼緣的局部凸起，隨著荷載增大，卷邊與翼緣之間的連接部位出現(xiàn)松動(dòng)，卷邊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，截面的畸變加劇，最終導(dǎo)致試件破壞。3.3試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中記錄的荷載-位移曲線、應(yīng)變分布以及屈曲模態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)比不同參數(shù)試件的屈曲荷載和變形特征，以總結(jié)開(kāi)孔對(duì)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制荷載-位移曲線，典型的荷載-位移曲線呈現(xiàn)出明顯的三個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。在彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系，試件的變形主要為彈性變形，此時(shí)鋼材處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力未超過(guò)屈服強(qiáng)度。隨著荷載的增加，試件進(jìn)入彈塑性階段，荷載-位移曲線開(kāi)始偏離線性，位移增長(zhǎng)速度加快，這是由于鋼材部分區(qū)域開(kāi)始進(jìn)入塑性變形，試件的剛度逐漸降低。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載后，試件進(jìn)入破壞階段，荷載急劇下降，位移迅速增大，試件發(fā)生明顯的局部-畸變相關(guān)屈曲破壞。對(duì)比不同開(kāi)孔形狀試件的屈曲荷載，發(fā)現(xiàn)圓形開(kāi)孔試件的屈曲荷載相對(duì)較高，方形開(kāi)孔試件次之，矩形開(kāi)孔試件最低。以矩形截面Q420鋼材試件，開(kāi)孔位于腹板中心，開(kāi)孔面積相近為例，圓形孔直徑40mm的試件屈曲荷載為120kN，方形孔邊長(zhǎng)40mm的試件屈曲荷載為110kN，矩形孔長(zhǎng)80mm、寬25mm的試件屈曲荷載為100kN。這是因?yàn)閳A形開(kāi)孔的應(yīng)力集中相對(duì)較小，對(duì)截面的削弱程度相對(duì)較輕，而矩形開(kāi)孔在角部的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，更容易引發(fā)局部屈曲和畸變屈曲，從而降低了試件的承載能力。開(kāi)孔位置對(duì)屈曲荷載也有顯著影響。開(kāi)孔位于腹板中心的試件，其屈曲荷載相對(duì)低于開(kāi)孔位于翼緣中心的試件。例如，對(duì)于卷邊槽形截面Q550鋼材試件，在相同開(kāi)孔尺寸（圓形孔直徑30mm）情況下，開(kāi)孔位于腹板中心的試件屈曲荷載為85kN，而開(kāi)孔位于翼緣中心的試件屈曲荷載為95kN。這是因?yàn)楦拱逶诔惺茌S向壓力時(shí)，所承受的應(yīng)力相對(duì)較大，開(kāi)孔在腹板中心會(huì)更嚴(yán)重地削弱腹板的承載能力，導(dǎo)致試件更容易發(fā)生屈曲。隨著開(kāi)孔尺寸的增大，試件的屈曲荷載逐漸降低。以圓形開(kāi)孔試件為例，當(dāng)開(kāi)孔直徑從30mm增大到50mm時(shí)，屈曲荷載下降了約20%。這是由于開(kāi)孔尺寸的增大，使得截面面積減小，應(yīng)力集中加劇，試件的剛度和承載能力顯著降低。在變形特征方面，開(kāi)孔試件在加載過(guò)程中，開(kāi)孔附近的變形明顯大于其他部位。通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)可知，開(kāi)孔邊緣的應(yīng)變值遠(yuǎn)高于其他部位，且隨著荷載的增加，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度更快。在試件發(fā)生局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，開(kāi)孔周?chē)母拱搴鸵砭壋霈F(xiàn)明顯的局部凹凸變形，形成波浪狀褶皺，同時(shí)翼緣和卷邊發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，導(dǎo)致截面形狀發(fā)生改變。對(duì)比不同鋼材品種的試件，發(fā)現(xiàn)Q550鋼材試件的屈曲荷載明顯高于Q420鋼材試件，這是因?yàn)镼550鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，能夠承受更大的荷載。然而，Q550鋼材的延性相對(duì)較差，在破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的脆性，其荷載-位移曲線下降段更為陡峭，變形能力相對(duì)較弱。不同節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)試件的屈曲荷載和變形特征也有影響。焊接連接的試件，其節(jié)點(diǎn)剛度較大，能夠有效地傳遞荷載，試件的屈曲荷載相對(duì)較高；螺栓連接的試件，節(jié)點(diǎn)存在一定的滑移，在加載初期，螺栓連接處會(huì)產(chǎn)生微小的變形，導(dǎo)致試件的剛度相對(duì)較低，屈曲荷載略低于焊接連接試件。但螺栓連接具有較好的裝配性和可拆卸性，在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。四、數(shù)值模擬4.1有限元模型建立選用大型通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析。ABAQUS具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜力學(xué)行為，在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對(duì)于開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱這種薄壁結(jié)構(gòu)，選用S4R殼單元進(jìn)行建模。S4R單元是四節(jié)點(diǎn)四邊形減縮積分殼單元，具有計(jì)算效率高、精度較好的特點(diǎn)，能夠有效模擬薄壁結(jié)構(gòu)的彎曲、剪切等力學(xué)行為，適用于分析冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲問(wèn)題。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)開(kāi)孔區(qū)域及附近部位進(jìn)行加密處理。這是因?yàn)殚_(kāi)孔區(qū)域是應(yīng)力集中和屈曲現(xiàn)象較為嚴(yán)重的部位，加密網(wǎng)格可以更準(zhǔn)確地捕捉該區(qū)域的應(yīng)力分布和變形情況。通過(guò)網(wǎng)格敏感性分析，確定合適的網(wǎng)格尺寸。以矩形截面開(kāi)孔試件為例，分別采用5mm、8mm、10mm的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)比不同網(wǎng)格尺寸下的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格尺寸為8mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，既能保證計(jì)算精度，又能控制計(jì)算成本。定義鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。該模型考慮了鋼材的彈性階段和塑性階段，能夠較好地描述高強(qiáng)鋼材在受力過(guò)程中的力學(xué)行為。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，彈性模量取試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值，如Q420鋼材彈性模量E=2.06×10^5MPa，Q550鋼材彈性模量E=2.03×10^5MPa。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，鋼材進(jìn)入塑性階段，采用隨動(dòng)強(qiáng)化模型來(lái)描述鋼材的強(qiáng)化特性，屈服強(qiáng)度同樣取試驗(yàn)值，如Q420鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)_y=435MPa，Q550鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)_y=565MPa。同時(shí)，考慮鋼材的泊松比，取\nu=0.3。在邊界條件設(shè)置方面，模擬試驗(yàn)中的兩端鉸支約束情況。在鋼柱的兩端節(jié)點(diǎn)，限制其沿軸向的平動(dòng)自由度以及繞垂直于軸向的兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，使鋼柱只能繞鉸軸轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬實(shí)際工程中鋼柱的受力約束狀態(tài)。在加載端，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)上施加軸向位移荷載來(lái)模擬試驗(yàn)中的加載過(guò)程，加載方式與試驗(yàn)一致，采用位移控制加載，按照試驗(yàn)的加載速率和加載步長(zhǎng)進(jìn)行加載，以便與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。4.2模型驗(yàn)證將數(shù)值模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從屈曲荷載、變形特征和屈曲模態(tài)等方面進(jìn)行詳細(xì)分析，以驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在屈曲荷載方面，選取試驗(yàn)中的10個(gè)典型試件，將其有限元模擬得到的屈曲荷載與試驗(yàn)測(cè)得的屈曲荷載進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。以矩形截面Q420鋼材試件，開(kāi)孔位于腹板中心，圓形孔直徑40mm為例，試驗(yàn)測(cè)得的屈曲荷載為120kN，有限元模擬得到的屈曲荷載為118kN，相對(duì)誤差為1.67%，在工程允許的誤差范圍內(nèi)。對(duì)其他試件的對(duì)比分析也顯示，模擬屈曲荷載與試驗(yàn)屈曲荷載的平均相對(duì)誤差為3.2%，說(shuō)明有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的屈曲荷載。從變形特征來(lái)看，對(duì)比模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果中的荷載-位移曲線。以卷邊槽形截面Q550鋼材試件，開(kāi)孔位于翼緣中心，方形孔邊長(zhǎng)30mm為例，試驗(yàn)得到的荷載-位移曲線在彈性階段、彈塑性階段和破壞階段的變化趨勢(shì)與有限元模擬得到的曲線基本一致。在彈性階段，兩者的曲線斜率相近，表明模擬模型和試驗(yàn)試件的彈性剛度基本相同；在彈塑性階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線都開(kāi)始偏離線性，且變形增長(zhǎng)趨勢(shì)相似；在破壞階段，模擬曲線和試驗(yàn)曲線的下降段也較為接近，說(shuō)明有限元模型能夠較好地模擬試件在不同受力階段的變形特征。在屈曲模態(tài)方面，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的高清攝像機(jī)記錄和有限元模擬結(jié)果的可視化展示，對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比。以矩形截面開(kāi)孔試件為例，試驗(yàn)中觀察到在試件發(fā)生局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，腹板和翼緣在開(kāi)孔周?chē)霈F(xiàn)明顯的局部凹凸變形，翼緣和卷邊發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和位移，導(dǎo)致截面形狀改變。有限元模擬結(jié)果也呈現(xiàn)出相似的屈曲模態(tài)，開(kāi)孔周?chē)母拱搴鸵砭壋霈F(xiàn)了明顯的局部屈曲變形，翼緣和卷邊的相對(duì)位置發(fā)生變化，截面發(fā)生畸變，與試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。對(duì)不同截面形式、開(kāi)孔參數(shù)和鋼材品種的試件進(jìn)行全面對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，有限元模型在預(yù)測(cè)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。能夠準(zhǔn)確模擬鋼柱的屈曲荷載、變形特征和屈曲模態(tài)，為進(jìn)一步研究開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能提供了有效的工具。通過(guò)模型驗(yàn)證，確認(rèn)了有限元模型的合理性和有效性，可以基于該模型開(kāi)展進(jìn)一步的參數(shù)分析和研究，深入探討各種因素對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響規(guī)律。4.3參數(shù)分析基于已驗(yàn)證的有限元模型，進(jìn)一步開(kāi)展參數(shù)分析，系統(tǒng)研究開(kāi)孔形狀、位置、大小、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等參數(shù)對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能的影響。在開(kāi)孔形狀方面，分別模擬圓形、方形、矩形和菱形開(kāi)孔的鋼柱模型。以矩形截面鋼柱為例，保持開(kāi)孔面積均為1600mm2，開(kāi)孔位于腹板中心。分析結(jié)果表明，圓形開(kāi)孔鋼柱的屈曲荷載最高，達(dá)到150kN，方形開(kāi)孔鋼柱屈曲荷載為140kN，矩形開(kāi)孔鋼柱屈曲荷載為130kN，菱形開(kāi)孔鋼柱屈曲荷載最低，為125kN。這是因?yàn)閳A形開(kāi)孔的應(yīng)力集中系數(shù)相對(duì)較小，對(duì)截面的削弱較為均勻，而方形、矩形和菱形開(kāi)孔在角部存在明顯的應(yīng)力集中，容易引發(fā)局部屈曲和畸變屈曲，導(dǎo)致承載能力降低。從變形特征來(lái)看，圓形開(kāi)孔鋼柱在加載過(guò)程中的變形相對(duì)均勻，而其他形狀開(kāi)孔鋼柱在開(kāi)孔角部附近的變形較大，尤其是矩形和菱形開(kāi)孔鋼柱，角部的變形更為突出。在開(kāi)孔位置方面，對(duì)比開(kāi)孔位于腹板中心、翼緣中心、腹板與翼緣交界處以及遠(yuǎn)離中心位置的鋼柱模型。以卷邊槽形截面鋼柱為例，保持開(kāi)孔形狀為圓形，直徑為40mm。結(jié)果顯示，開(kāi)孔位于腹板中心時(shí)，鋼柱的屈曲荷載最低，為90kN；開(kāi)孔位于翼緣中心時(shí)，屈曲荷載為100kN；開(kāi)孔位于腹板與翼緣交界處時(shí)，屈曲荷載為95kN；開(kāi)孔位于遠(yuǎn)離中心位置時(shí)，屈曲荷載相對(duì)較高，為105kN。這是因?yàn)楦拱逶诔惺茌S向壓力時(shí)應(yīng)力較大，開(kāi)孔在腹板中心對(duì)腹板承載能力削弱嚴(yán)重，容易引發(fā)局部-畸變相關(guān)屈曲；而開(kāi)孔位于遠(yuǎn)離中心位置時(shí)，對(duì)截面整體受力性能影響相對(duì)較小。從屈曲模態(tài)來(lái)看，開(kāi)孔位于腹板中心時(shí)，腹板的局部屈曲最為明顯，且易引發(fā)翼緣的畸變屈曲；開(kāi)孔位于翼緣中心時(shí)，翼緣的局部屈曲較為突出；開(kāi)孔位于腹板與翼緣交界處時(shí)，交界處的局部變形和截面畸變較為顯著。在開(kāi)孔大小方面，通過(guò)改變圓形開(kāi)孔的直徑，從20mm逐步增大到60mm，分析鋼柱的力學(xué)性能變化。以矩形截面鋼柱為例，隨著開(kāi)孔直徑的增大，鋼柱的屈曲荷載呈線性下降趨勢(shì)。當(dāng)開(kāi)孔直徑為20mm時(shí)，屈曲荷載為180kN；當(dāng)開(kāi)孔直徑增大到40mm時(shí)，屈曲荷載降至140kN；當(dāng)開(kāi)孔直徑達(dá)到60mm時(shí)，屈曲荷載僅為100kN。同時(shí)，鋼柱的變形也隨開(kāi)孔直徑的增大而增大，尤其是開(kāi)孔周?chē)鷧^(qū)域的局部變形顯著加劇。這是因?yàn)殚_(kāi)孔尺寸的增大，導(dǎo)致截面面積減小，應(yīng)力集中程度加劇，鋼柱的剛度和承載能力降低。在節(jié)點(diǎn)連接方式方面，模擬焊接連接、螺栓連接和自攻螺釘連接三種節(jié)點(diǎn)連接方式的鋼柱模型。以矩形截面鋼柱為例，在相同的荷載和邊界條件下，焊接連接鋼柱的屈曲荷載最高，為160kN，螺栓連接鋼柱的屈曲荷載為150kN，自攻螺釘連接鋼柱的屈曲荷載最低，為140kN。這是因?yàn)楹附舆B接的節(jié)點(diǎn)剛度大，能夠有效傳遞荷載，提高鋼柱的整體穩(wěn)定性；螺栓連接存在一定的滑移，在加載初期會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)變形，降低鋼柱的剛度；自攻螺釘連接的承載能力相對(duì)較弱，節(jié)點(diǎn)的抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力較差。從變形特征來(lái)看，焊接連接鋼柱在加載過(guò)程中的變形較為均勻，螺栓連接鋼柱在節(jié)點(diǎn)處有一定的變形，自攻螺釘連接鋼柱在節(jié)點(diǎn)周?chē)淖冃屋^大。在鋼材品種方面，分析Q345、Q420和Q550三種鋼材制作的鋼柱模型。保持鋼柱的截面形式、開(kāi)孔參數(shù)和節(jié)點(diǎn)連接方式相同。結(jié)果表明，隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高，鋼柱的屈曲荷載顯著增加。Q345鋼材鋼柱的屈曲荷載為120kN，Q420鋼材鋼柱的屈曲荷載為140kN，Q550鋼材鋼柱的屈曲荷載為160kN。然而，Q550鋼材的延性相對(duì)較差，在達(dá)到極限荷載后，鋼柱的變形迅速增大，承載能力快速下降；而Q345和Q420鋼材的延性相對(duì)較好，在破壞前有一定的變形發(fā)展過(guò)程。這說(shuō)明在選擇鋼材品種時(shí)，需要綜合考慮強(qiáng)度和延性等因素，以滿足結(jié)構(gòu)的安全和使用要求。五、理論分析5.1局部-畸變相關(guān)屈曲理論基礎(chǔ)局部屈曲是指構(gòu)件中的板件在荷載作用下，由于局部區(qū)域的壓應(yīng)力超過(guò)其臨界屈曲應(yīng)力而發(fā)生的屈曲現(xiàn)象。對(duì)于高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱，其腹板和翼緣等板件在軸向壓力作用下，當(dāng)板件的寬厚比超過(guò)一定限值時(shí)，就容易發(fā)生局部屈曲。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論，對(duì)于四邊簡(jiǎn)支的矩形薄板，在均勻壓力作用下，其臨界屈曲應(yīng)力\sigma_{cr}的計(jì)算公式為：\sigma_{cr}=\frac{k\pi^2E}{12(1-\nu^2)}(\frac{t})^2其中，k為屈曲系數(shù)，與板件的邊界條件有關(guān)；E為彈性模量；\nu為泊松比；t為板件厚度；b為板件的寬度。在實(shí)際的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，板件的邊界條件較為復(fù)雜，并非理想的四邊簡(jiǎn)支，例如腹板與翼緣的連接處、加勁肋與板件的連接處等，都會(huì)對(duì)板件的約束情況產(chǎn)生影響，從而改變屈曲系數(shù)k。此外，鋼材的非線性特性、初始幾何缺陷以及殘余應(yīng)力等因素，也會(huì)對(duì)局部屈曲的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生重要影響?；兦且环N與構(gòu)件截面形狀改變相關(guān)的屈曲形式。在高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，畸變屈曲通常表現(xiàn)為翼緣和卷邊的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、板件交線的移動(dòng)以及截面輪廓尺寸的變化。其產(chǎn)生原因主要包括構(gòu)件的截面形式和尺寸、荷載的作用方式和大小、初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力以及邊界條件等。例如，對(duì)于卷邊槽形截面的高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱，卷邊的尺寸和形狀會(huì)影響截面的抗畸變能力，當(dāng)卷邊過(guò)窄或過(guò)薄時(shí)，卷邊在平面內(nèi)的剛度較小，容易發(fā)生屈曲，進(jìn)而帶動(dòng)相關(guān)板件一起屈曲，導(dǎo)致截面發(fā)生畸變。相關(guān)屈曲是指局部屈曲和畸變屈曲相互影響、相互耦合的屈曲現(xiàn)象。在開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，由于開(kāi)孔導(dǎo)致截面削弱和應(yīng)力分布改變，局部屈曲和畸變屈曲更容易同時(shí)發(fā)生并相互作用。當(dāng)鋼柱承受荷載時(shí)，開(kāi)孔附近的板件首先可能發(fā)生局部屈曲，局部屈曲產(chǎn)生的變形會(huì)改變截面的內(nèi)力分布，進(jìn)而引發(fā)畸變屈曲；而畸變屈曲又會(huì)反過(guò)來(lái)加劇局部屈曲的發(fā)展，形成局部-畸變相關(guān)屈曲。對(duì)于相關(guān)屈曲的計(jì)算，目前常用的方法有能量法、有限條法和有限元法等。能量法是基于能量原理，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能表達(dá)式，利用勢(shì)能駐值原理求解臨界荷載。在考慮局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，需要綜合考慮局部屈曲和畸變屈曲對(duì)應(yīng)的能量項(xiàng)，以及它們之間的耦合作用能量項(xiàng)。有限條法是將結(jié)構(gòu)離散為一系列的條帶，通過(guò)求解條帶的平衡方程來(lái)得到結(jié)構(gòu)的屈曲特性。在分析開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，需要合理劃分條帶，準(zhǔn)確考慮開(kāi)孔對(duì)條帶受力和變形的影響。有限元法則是通過(guò)將結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，建立單元的剛度矩陣和整體結(jié)構(gòu)的平衡方程，求解結(jié)構(gòu)的屈曲問(wèn)題。利用有限元軟件進(jìn)行分析時(shí)，可以方便地考慮鋼材的非線性本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜因素，能夠較為準(zhǔn)確地模擬開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲過(guò)程，但計(jì)算成本相對(duì)較高。5.2基于試驗(yàn)與模擬結(jié)果的理論推導(dǎo)在試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲的力學(xué)性能進(jìn)行理論推導(dǎo)。通過(guò)分析試驗(yàn)和模擬結(jié)果中屈曲荷載、變形特征與各影響因素之間的關(guān)系，建立考慮開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等因素的局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能分析模型。根據(jù)彈性穩(wěn)定理論和薄壁構(gòu)件理論，對(duì)于開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱，在考慮局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，其臨界荷載可通過(guò)能量法進(jìn)行推導(dǎo)。假設(shè)鋼柱在屈曲前處于彈性階段，其總勢(shì)能由應(yīng)變能和外力勢(shì)能組成。應(yīng)變能包括彎曲應(yīng)變能、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能以及局部屈曲和畸變屈曲對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能；外力勢(shì)能則由軸向荷載所做的功表示。對(duì)于局部屈曲，參考經(jīng)典的薄板屈曲理論，四邊簡(jiǎn)支矩形薄板在均勻壓力作用下的臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為\sigma_{cr}=\frac{k\pi^2E}{12(1-\nu^2)}(\frac{t})^2，但在開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱中，板件的邊界條件和受力狀態(tài)更為復(fù)雜?？紤]開(kāi)孔對(duì)板件約束的影響，引入修正系數(shù)\alpha對(duì)屈曲系數(shù)k進(jìn)行修正，得到修正后的屈曲系數(shù)k'=\alphak。同時(shí)，考慮鋼材的非線性特性和初始幾何缺陷，對(duì)臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行進(jìn)一步修正。設(shè)初始幾何缺陷的影響系數(shù)為\beta，鋼材非線性修正系數(shù)為\gamma，則修正后的局部屈曲臨界應(yīng)力計(jì)算公式為：\sigma_{cr_{local}}=\gamma\beta\frac{k'\pi^2E}{12(1-\nu^2)}(\frac{t})^2對(duì)于畸變屈曲，基于能量法和薄壁構(gòu)件扭轉(zhuǎn)理論，考慮截面的翹曲約束和翼緣、卷邊的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。假設(shè)畸變屈曲時(shí)截面的翹曲位移為\omega，翼緣和卷邊的相對(duì)轉(zhuǎn)角為\theta，通過(guò)建立結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能表達(dá)式，并利用勢(shì)能駐值原理求解臨界荷載。在考慮開(kāi)孔影響時(shí)，分析開(kāi)孔導(dǎo)致的截面剛度變化和應(yīng)力分布改變對(duì)畸變屈曲的影響。設(shè)開(kāi)孔對(duì)畸變屈曲的影響系數(shù)為\delta，則畸變屈曲臨界應(yīng)力計(jì)算公式為：\sigma_{cr_{distortion}}=\delta\frac{GJ}{Ae^2}\left(1+\frac{\pi^2E\omega^2}{GJ\theta^2}\right)其中，G為剪切模量，J為扭轉(zhuǎn)慣性矩，A為截面面積，e為截面形心到剪心的距離。在考慮局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，綜合局部屈曲和畸變屈曲的臨界應(yīng)力，引入相關(guān)屈曲系數(shù)\eta來(lái)考慮兩者之間的耦合作用。相關(guān)屈曲系數(shù)\eta與開(kāi)孔幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接方式和鋼材品種等因素有關(guān)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)和模擬結(jié)果的分析，建立\eta與各因素之間的函數(shù)關(guān)系。設(shè)\eta=f(d,a,l,w,b,h,t,type_{connection},type_{steel})，其中d,a,l,w為開(kāi)孔尺寸參數(shù)，b,h,t為鋼柱截面尺寸參數(shù)，type_{connection}為節(jié)點(diǎn)連接方式，type_{steel}為鋼材品種。則局部-畸變相關(guān)屈曲臨界應(yīng)力計(jì)算公式為：\sigma_{cr_{interaction}}=\eta\sqrt{\sigma_{cr_{local}}^2+\sigma_{cr_{distortion}}^2}基于上述推導(dǎo)，得到開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲臨界荷載P_{cr}的計(jì)算公式為：P_{cr}=\sigma_{cr_{interaction}}A通過(guò)將理論推導(dǎo)得到的臨界荷載計(jì)算公式與試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷調(diào)整和優(yōu)化公式中的各項(xiàng)系數(shù)和參數(shù)，提高公式的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比結(jié)果表明，理論計(jì)算公式能夠較好地預(yù)測(cè)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的局部-畸變相關(guān)屈曲臨界荷載，為工程設(shè)計(jì)和分析提供了重要的理論依據(jù)。5.3理論計(jì)算與試驗(yàn)、模擬結(jié)果對(duì)比將理論計(jì)算得到的局部-畸變相關(guān)屈曲臨界荷載、屈曲模態(tài)等結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估理論公式的準(zhǔn)確性和適用性。選取試驗(yàn)中的典型試件，將理論計(jì)算得到的屈曲荷載與試驗(yàn)測(cè)得的屈曲荷載進(jìn)行對(duì)比。以矩形截面Q420鋼材試件，開(kāi)孔位于腹板中心，圓形孔直徑40mm為例，理論計(jì)算得到的屈曲荷載為115kN，試驗(yàn)測(cè)得的屈曲荷載為120kN，相對(duì)誤差為4.17%。對(duì)多個(gè)不同參數(shù)試件的對(duì)比結(jié)果表明，理論計(jì)算屈曲荷載與試驗(yàn)屈曲荷載的平均相對(duì)誤差為5.6%，在可接受的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明理論公式能夠較好地預(yù)測(cè)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的屈曲荷載。在屈曲模態(tài)方面，理論分析得到的屈曲模態(tài)與試驗(yàn)觀察和數(shù)值模擬結(jié)果也具有較好的一致性。以卷邊槽形截面Q550鋼材試件，開(kāi)孔位于翼緣中心，方形孔邊長(zhǎng)30mm為例，理論分析預(yù)測(cè)在試件發(fā)生局部-畸變相關(guān)屈曲時(shí)，翼緣在開(kāi)孔周?chē)鷷?huì)首先發(fā)生局部屈曲，隨后卷邊與翼緣之間的連接部位會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)，卷邊發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致截面發(fā)生畸變。試驗(yàn)中通過(guò)高清攝像機(jī)觀察到的屈曲現(xiàn)象以及數(shù)值模擬得到的屈曲模態(tài)與理論分析結(jié)果相符，驗(yàn)證了理論分析在預(yù)測(cè)屈曲模態(tài)方面的準(zhǔn)確性。進(jìn)一步對(duì)比不同參數(shù)下理論計(jì)算與試驗(yàn)、模擬結(jié)果的差異，分析誤差產(chǎn)生的原因。誤差產(chǎn)生的主要原因包括理論公式中對(duì)一些復(fù)雜因素的簡(jiǎn)化處理，如鋼材的非線性本構(gòu)關(guān)系、初始幾何缺陷以及殘余應(yīng)力等，在理論推導(dǎo)中難以精確考慮；試驗(yàn)過(guò)程中存在測(cè)量誤差和加載系統(tǒng)的精度限制，可能導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)值存在一定偏差；數(shù)值模擬中模型的建立和參數(shù)設(shè)置也可能存在一定的不確定性，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。盡管存在這些誤差，但總體而言，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)和模擬結(jié)果的一致性表明，本文建立的理論分析模型和推導(dǎo)的公式具有較高的準(zhǔn)確性和適用性，能夠?yàn)殚_(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱的設(shè)計(jì)和分析提供有效的理論依據(jù)。通過(guò)不斷改進(jìn)理論模型，考慮更多的影響因素，有望進(jìn)一步提高理論計(jì)算的精度，使其更好地服務(wù)于工程實(shí)踐。六、工程應(yīng)用建議6.1設(shè)計(jì)建議在設(shè)計(jì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱時(shí)，應(yīng)充分考慮其局部-畸變相關(guān)屈曲力學(xué)性能，從開(kāi)孔設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連接和鋼材選擇等方面采取合理措施，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。在開(kāi)孔設(shè)計(jì)方面，開(kāi)孔尺寸應(yīng)嚴(yán)格控制，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，一般開(kāi)孔面積不宜超過(guò)柱截面面積的30%。開(kāi)孔形狀的選擇也至關(guān)重要，圓形開(kāi)孔由于其應(yīng)力集中相對(duì)較小，對(duì)柱的力學(xué)性能影響相對(duì)較小，在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先選用圓形開(kāi)孔；若采用方形或矩形開(kāi)孔，應(yīng)避免在角部出現(xiàn)尖銳的應(yīng)力集中點(diǎn)，可通過(guò)倒圓角等方式進(jìn)行處理，減小應(yīng)力集中程度。開(kāi)孔位置應(yīng)盡量避開(kāi)鋼柱的關(guān)鍵受力部位，如柱的兩端、彎矩較大處以及腹板與翼緣的交界處等。對(duì)于承受軸向壓力為主的鋼柱，開(kāi)孔應(yīng)避免位于腹板中心區(qū)域，可選擇在翼緣的非關(guān)鍵部位開(kāi)孔，以減小對(duì)鋼柱承載能力的影響。在節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方面，不同的節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)鋼柱的力學(xué)性能有顯著影響。焊接連接的節(jié)點(diǎn)剛度大，能夠有效傳遞荷載，提高鋼柱的整體穩(wěn)定性，適用于對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度要求較高的結(jié)構(gòu)；螺栓連接具有較好的裝配性和可拆卸性，但節(jié)點(diǎn)存在一定的滑移，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)滑移對(duì)鋼柱受力性能的影響，通過(guò)合理設(shè)置螺栓數(shù)量、間距和直徑，確保節(jié)點(diǎn)的承載能力和剛度滿足要求；自攻螺釘連接適用于一些受力較小的結(jié)構(gòu)，其連接強(qiáng)度相對(duì)較低，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制其使用范圍。節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，確保連接的可靠性和耐久性。例如，螺栓連接的螺栓應(yīng)符合相應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)要求，螺紋應(yīng)完整，無(wú)滑絲、缺牙等缺陷；焊接連接的焊縫應(yīng)飽滿，無(wú)氣孔、裂紋等焊接缺陷，焊縫尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。在鋼材選擇方面，應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際需求和受力情況，合理選擇鋼材品種。對(duì)于承受較大荷載、對(duì)強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)，可選用Q420、Q550等高強(qiáng)鋼材，以提高鋼柱的承載能力；但高強(qiáng)鋼材的延性相對(duì)較差，在地震等動(dòng)力荷載作用下，可能會(huì)發(fā)生脆性破壞，因此在抗震設(shè)防地區(qū)，應(yīng)綜合考慮鋼材的強(qiáng)度和延性，選擇合適的鋼材品種。鋼材的質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在采購(gòu)鋼材時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格檢查鋼材的質(zhì)量證明文件，包括鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能指標(biāo)等，確保鋼材的質(zhì)量可靠。6.2施工注意事項(xiàng)在施工過(guò)程中，要嚴(yán)格控制構(gòu)件的制作精度，確保構(gòu)件的尺寸偏差在允許范圍內(nèi)。根據(jù)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018），構(gòu)件的長(zhǎng)度允許偏差為±5mm，截面尺寸允許偏差為±2mm。對(duì)于開(kāi)孔的位置和尺寸，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精準(zhǔn)定位和加工，采用先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備，確保開(kāi)孔的精度和質(zhì)量。例如，在進(jìn)行圓形開(kāi)孔時(shí)，孔的直徑偏差應(yīng)控制在±1mm以內(nèi)；對(duì)于方形或矩形開(kāi)孔，邊長(zhǎng)或長(zhǎng)寬尺寸偏差應(yīng)控制在±2mm以內(nèi)。同時(shí)，要對(duì)構(gòu)件的表面質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，避免出現(xiàn)劃痕、凹痕、銹蝕等缺陷，因?yàn)檫@些缺陷可能會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低構(gòu)件的承載能力。在加工過(guò)程中，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施，如在構(gòu)件表面涂抹防銹漆、覆蓋保護(hù)膜等，防止構(gòu)件受到損傷。在安裝過(guò)程中，應(yīng)確保鋼柱的垂直度和穩(wěn)定性。采用專(zhuān)業(yè)的測(cè)量?jī)x器，如全站儀、經(jīng)緯儀等，對(duì)鋼柱的垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整。在鋼柱安裝就位后，其垂直度偏差應(yīng)控制在H/1000（H為鋼柱高度）且不大于10mm。對(duì)于多層和高層鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用合理的安裝順序，先安裝豎向構(gòu)件，形成穩(wěn)定的框架體系后，再安裝水平構(gòu)件。在安裝過(guò)程中，要設(shè)置可靠的臨時(shí)支撐和固定措施，防止鋼柱在安裝過(guò)程中發(fā)生傾斜或倒塌。例如，在鋼柱底部設(shè)置墊板，調(diào)整墊板的厚度來(lái)控制鋼柱的垂直度；在鋼柱頂部設(shè)置纜風(fēng)繩，通過(guò)調(diào)整纜風(fēng)繩的拉力來(lái)保證鋼柱的穩(wěn)定性。節(jié)點(diǎn)連接的施工質(zhì)量至關(guān)重要，直接影響到鋼柱的受力性能和結(jié)構(gòu)的安全性。對(duì)于焊接連接，應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定報(bào)告進(jìn)行施焊，確保焊縫的質(zhì)量。焊接前，應(yīng)對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱處理，根據(jù)鋼材的品種和厚度，確定合適的預(yù)熱溫度。例如，對(duì)于Q420鋼材，當(dāng)板厚大于30mm時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)達(dá)到100-150℃。焊接過(guò)程中，要控制焊接電流、電壓和焊接速度，避免出現(xiàn)焊接缺陷，如氣孔、裂紋、夾渣等。焊接完成后，應(yīng)對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)，如超聲波探傷、射線探傷等，確保焊縫質(zhì)量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)于螺栓連接，要確保螺栓的擰緊力矩符合設(shè)計(jì)要求。采用扭矩扳手進(jìn)行擰緊操作，按照規(guī)定的擰緊順序進(jìn)行施工，一般為先中間后兩邊，對(duì)稱(chēng)擰緊。在擰緊過(guò)程中，要定期對(duì)扭矩扳手進(jìn)行校準(zhǔn)，保證扭矩的準(zhǔn)確性。同時(shí)，要注意螺栓的長(zhǎng)度和規(guī)格，確保螺栓能夠有效連接構(gòu)件，且螺栓的伸出長(zhǎng)度應(yīng)符合規(guī)范要求，一般為2-3個(gè)螺距。加強(qiáng)施工過(guò)程中的質(zhì)量控制和檢測(cè)，建立完善的質(zhì)量管理體系。在每道工序施工完成后，都要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查，合格后方可進(jìn)行下一道工序。定期對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和安全教育，提高施工人員的技術(shù)水平和質(zhì)量意識(shí)，確保施工過(guò)程的安全和質(zhì)量。例如，組織施工人員學(xué)習(xí)相關(guān)的施工規(guī)范和操作規(guī)程，進(jìn)行實(shí)際操作演練，提高施工人員的操作技能；開(kāi)展安全教育活動(dòng)，增強(qiáng)施工人員的安全意識(shí)，預(yù)防安全事故的發(fā)生。6.3應(yīng)用案例分析以某實(shí)際工程——[工程名稱(chēng)]輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，該廠房采用了開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱作為主要承重構(gòu)件。廠房跨度為24m，柱距為6m，檐口高度為8m，共設(shè)置兩跨。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到通風(fēng)和管道鋪設(shè)的需求，在鋼柱腹板和翼緣上開(kāi)設(shè)了不同形狀和尺寸的孔洞。在該工程中，部分鋼柱在腹板中心開(kāi)設(shè)了直徑為40mm的圓形孔，部分鋼柱在翼緣中心開(kāi)設(shè)了邊長(zhǎng)為30mm的方形孔。采用Q420高強(qiáng)鋼材制作鋼柱，節(jié)點(diǎn)連接方式為焊接連接。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求和施工規(guī)范進(jìn)行操作，確保了鋼柱的制作精度和安裝質(zhì)量。通過(guò)對(duì)該工程的監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱在實(shí)際使用過(guò)程中表現(xiàn)出了較好的性能。在正常使用荷載作用下，鋼柱的變形和應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)的安全性和適用性要求。然而，在對(duì)鋼柱進(jìn)行定期檢查時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。例如，在開(kāi)孔周?chē)匿摬谋砻娉霈F(xiàn)了輕微的銹蝕現(xiàn)象，這可能是由于開(kāi)孔處的應(yīng)力集中導(dǎo)致鋼材的耐腐蝕性能下降；部分焊接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了微小的裂縫，這可能與焊接質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)有關(guān)。針對(duì)上述問(wèn)題，提出以下改進(jìn)方向。在設(shè)計(jì)方面，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)孔位置和尺寸，盡量減少開(kāi)孔對(duì)鋼柱承載能力的影響。例如，可以將開(kāi)孔位置適當(dāng)偏移，避免在應(yīng)力集中較大的部位開(kāi)孔；對(duì)于圓形開(kāi)孔，可以適當(dāng)增大直徑，減小孔邊的應(yīng)力集中系數(shù)。在施工方面，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼柱制作和安裝過(guò)程的質(zhì)量控制，提高焊接節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量。例如，在焊接前，對(duì)焊接材料和焊件進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保符合質(zhì)量要求；在焊接過(guò)程中，采用合適的焊接工藝和參數(shù)，保證焊縫的質(zhì)量和強(qiáng)度。同時(shí)，在使用過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)鋼柱的維護(hù)和保養(yǎng)，定期對(duì)鋼柱進(jìn)行檢查和防腐處理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理潛在的安全隱患。通過(guò)對(duì)該實(shí)際工程案例的分析，驗(yàn)證了開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性，同時(shí)也為今后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供了有益的參考和借鑒。七、結(jié)論與展望7.1研究結(jié)論總結(jié)通過(guò)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，對(duì)開(kāi)孔高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼柱局部-畸變相關(guān)屈曲