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工程中常用截面的冷弯钢构件的优化和设计

工程中常用截面的冷弯钢构件的优化和设计

作者：叶文华宁波大学

学位级别：硕士

冷弯薄壁型钢结构,因其具有重量轻、强度高、安装快、污染少等优点,在新的建筑形式中得到日益广泛的应用。为提高冷弯薄壁型钢构件的承载力,通过对冷弯薄壁型钢构件截面尺寸的优化设计,可得到构件的最大承载力。将优化设计得到的型钢大... 详细信息

冷弯薄壁型钢结构,因其具有重量轻、强度高、安装快、污染少等优点,在新的建筑形式中得到日益广泛的应用。为提高冷弯薄壁型钢构件的承载力,通过对冷弯薄壁型钢构件截面尺寸的优化设计,可得到构件的最大承载力。将优化设计得到的型钢大量应用到工程实践中,可以促进我国经济朝资源节约型、环境友好型发展。本文对工程中常用的C型、Z型、帽型和加劲肋型钢截面尺寸进行优化设计。首先,对Z型钢构件在轴压和纯弯时,以卷边角度为变量,基于直接强度法与遗传算法,对截面的卷边角度进行优化设计,寻找构件极限承载力最大值的卷边角度。研究可知,在卷边角度为95°到110°之间存在着承载力的极值。根据分析结果,建议把卷边角度100°作为构件的最佳设计角度。同时,为了给工程应用提供数据参考,将优化出的最佳角度在不同长度构件中的承载力进行比较分析。其次,C型、Z型是冷弯薄壁型钢在工程中最常用的截面类型,而且用钢量大。为了不增加用钢量而使承载力达到最大值,对C型、Z型钢的截面尺寸进行优化,得到最佳截面尺寸;同时,分析不同长度型钢的截面尺寸达到最优时极限承载力的变化趋势。接着,采用广义梁理论中薄壁截面的运动学和力学来分析翘曲变形;在畸变模式与传统模式正交化的基础上,推导出帽型截面的畸变屈曲临界应力模型;在此基础上,对8个不同规格帽型截面进行计算,与有限条软件计算结果对比,验证了解析模型的可靠性;之后再对帽型截面进行尺寸优化。最后,为了提高极限承载力,对C型钢构件的截面进行加劲肋的设置,以V形交角为变量,采用有限条原理的公式得出的屈曲临界应力与直接强度法相结合,基于遗传算法对构件进行优化设计。优化结果同时与Abaqus仿真的数据和相关试验数据进行对比,证明该算法的有效性。之后对没有加劲与同等面积加劲后截面构件的极限承载力进行对比,可知加劲后截面构件的极限承载力有明显地提升。

关键词：冷弯钢构件优化设计遗传算法畸变屈曲极限承载力 V形加劲

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新型冷弯翼缘闭合构件力学性能研究

哈尔滨工业大学学报 2011年第10期43卷 12-17页

作者：武胜张厚王伟哈尔滨工业大学土木工程博士后科研流动站哈尔滨150090 黑龙江省建设集团有限责任公司博士后科研工作站哈尔滨150001 东北林业大学土木工程学院哈尔滨150040

为进一步利用空翼缘梁截面形式开展,抗弯、扭刚度大的特点,并进一步优化冷弯薄壁型钢构件的截面形式,适当改变空翼缘梁的截面构成参数,提出2种新型冷弯翼缘闭合截面.采用非线性有限元方法分析新型截面构件在轴压、弯矩和压弯荷载作用下... 详细信息

为进一步利用空翼缘梁截面形式开展,抗弯、扭刚度大的特点,并进一步优化冷弯薄壁型钢构件的截面形式,适当改变空翼缘梁的截面构成参数,提出2种新型冷弯翼缘闭合截面.采用非线性有限元方法分析新型截面构件在轴压、弯矩和压弯荷载作用下的屈曲模式、变形特征、承载力、刚度等方面力学性能.分析表明:新型冷弯截面构件在承受轴压荷载时具有截面平均应力高、构件刚度大、弯曲变形小,板件不易局部屈曲等性能优势;在承受弯矩和压弯荷载时具有刚度大、抗弯承载力高、截面局部屈曲不易发生、相关曲线饱满等优越的力学性能.新型翼缘闭合截面构件适于合理推广应用于实际工程.

关键词：空翼缘梁冷弯钢构件有限元分析力学性能

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新型冷弯箱形组合构件力学性能研究

工业建筑 2012年第6期42卷 142-147页

作者：王蕊武胜左宏亮东北林业大学土木工程学院哈尔滨150040

基于箱形截面具有双轴对称、抗弯扭刚度大的特点,提出将冷弯∑形截面两两翼缘相对,并将其卷边焊接形成一种新型冷弯箱形组合截面——DS。应用非线性有限元方法分析新型截面构件在轴压、弯矩及压弯荷载作用时的诸如屈曲模式、承载力、刚... 详细信息

基于箱形截面具有双轴对称、抗弯扭刚度大的特点,提出将冷弯∑形截面两两翼缘相对,并将其卷边焊接形成一种新型冷弯箱形组合截面——DS。应用非线性有限元方法分析新型截面构件在轴压、弯矩及压弯荷载作用时的诸如屈曲模式、承载力、刚度、延性及相关曲线等方面力学性能。同时,还对相同参数的新型截面构件与C形截面构件的单位承载力耗钢量进行比较。分析表明:新型截面构件在承受轴压力时具有高承载力及较高的截面模量,截面加劲充分而使子板件局部屈曲不易出现等力学性能优势。特别适宜承受轴压荷载,同时也适宜承受弯矩和压弯荷载的作用。轴压构件的单位承载力耗钢量一般仅为相同参数C形构件的50%左右,经济效益明显。新型箱形组合构件适于深入试验研究并合理应用于实际工程。

关键词：冷弯钢构件轴压构件受弯构件有限元分析力学性能

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C型截面冷弯薄壁型钢檩条的屈曲研究

C型截面冷弯薄壁型钢檩条的屈曲研究

作者：吴晓烽宁波大学

学位级别：硕士

冷弯薄壁型钢构件由于其自重轻、力学性能好、制作周期短、容易装配等优点在建筑行业得到了广泛的应用。C型截面檩条是冷弯薄壁型钢屋面系统中的常用截面形式，对其进行稳定性研究非常必要。本文对C型冷弯薄壁型钢檩条进行轴压、纯弯试... 详细信息

冷弯薄壁型钢构件由于其自重轻、力学性能好、制作周期短、容易装配等优点在建筑行业得到了广泛的应用。C型截面檩条是冷弯薄壁型钢屋面系统中的常用截面形式，对其进行稳定性研究非常必要。本文对C型冷弯薄壁型钢檩条进行轴压、纯弯试验，对不同截面尺寸和长度的试样的畸变屈曲临界应力和试样的极限承载力进行研究，并对不同长度的试样在均布载荷作用下进行了有限元的模拟分析。第二章主要对9种不同截面尺寸的C型檩条进行轴压试验，试验结果表明：试验所得极限承载力大于直接强度法的计算结果;檩条承载力随着腹板长度的增加先增大后减小，屈曲后强度随着腹板高度的增加而相应变大;翼缘变化对承载力的影响与腹板变化的影响相似，但是屈曲后强度随着翼缘的增加而减小;在一定范围内，卷边越大，承载力也越大，屈曲后强度随卷边的增加而减小。同时用散斑技术分析得到的结果与应变片测得数据非常接近，证明试验数据真实可靠。第三章对6种不同截面尺寸的C型檩条进行纯弯试验，试验结果表明：极限弯矩小于直接强度法的计算结果。腹板高度的增加使得极限弯矩也相应增加，然而畸变屈曲应力先减少后增加，屈曲后强度则是先增加后减小。极限弯矩随着翼缘宽度的增加而增加，临界屈曲应力和屈曲后强度反而减小。在一定范围内，卷边越大，极限弯矩也越大，屈曲后强度随卷边的增加而减小。第四章对受均布载荷的C型檩条进行有限元非线性分析，其截面尺寸为腹板高度为120mm、翼缘宽度为50mm、卷边长度为15mm，厚度为1.5mm，长度分别取4000mm、7000mm和10000mm。非线性分析时考虑由重力引起的初始几何缺陷和把一阶模态5%的变形量作为初始几何缺陷对极限承载力的影响。考虑屋面板对檩条的旋转约束大小对檩条承载力的影响，屋面板对檩条的约束设为完全的横向约束和可变的扭转弹簧约束，扭转弹簧的刚度分别取0N·m/rad、3N·m/rad和7.5N·m/rad。分析结果表明：扭转刚度对檩条承载力影响最为显著，扭转弹簧刚度越大，承载力也越大;檩条长度越长，承载力越小;重力引起的初始几何缺陷对承载力影响较小，但是对檩条的横向位移影响较大;一阶模态的5%变形量作为初始几何缺陷主要影响檩条的承载力，对较短檩条极限承载力有显著影响，并且这种缺陷对极限承载力的影响随着长度的增加而减小。

关键词： C型冷弯钢构件畸变屈曲轴压试验纯弯试验均布载荷有限元分析

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冷弯型钢受弯构件承载力与延性优化研究

冷弯型钢受弯构件承载力与延性优化研究

作者：钟玉婷湖南大学

学位级别：硕士

冷弯型钢(Cold Formed Steel,简称CFS)具有再生率高、施工方便等优点。与热轧钢相比,冷弯型钢在工程实践中更加经济高效,故在世界各地的中、低层建筑中得到了广泛应用。随着冷弯型钢框架体系从低层到多层的不断发展,这类结构对冷弯钢构... 详细信息

冷弯型钢(Cold Formed Steel,简称CFS)具有再生率高、施工方便等优点。与热轧钢相比,冷弯型钢在工程实践中更加经济高效,故在世界各地的中、低层建筑中得到了广泛应用。随着冷弯型钢框架体系从低层到多层的不断发展,这类结构对冷弯钢构件的承载力要求越来越高,与此同时,对构件延性的需求也在不断增加。冷弯型钢生产工艺简单,具有很大的开发及优化潜力,因此已有很多学者利用优化算法研究并设计出更具适用性和经济性的截面。但目前许多研究工作都是对单个构件进行优化,鲜有开展对多个或者组合构件的优化研究,因此,基于“少构件、多组合”的原则,对构件进行归类整理,形成较少规格的基本构件库仍待解决。针对上述情况,在保证材料用量一定的情况下,本文提出了一种两级优化框架:第一级优化侧重于对受弯构件的承载力、延性性能的提升,第二级优化侧重于构件个数的简化。在第一级优化中,首先基于ABAQUS有限元分析软件建立已经通过试验验证的有限元分析模型,计算了不同尺寸冷弯型钢截面的抗弯承载力及延性,分析了截面几何尺寸对构件抗弯承载力及延性的影响并采用误差反向传播(Back Propagation,简称BP)的神经网络和遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)对截面尺寸进行优化,最后采用逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,简称TOPSIS)分别确定了各截面的最佳尺寸并提出截面尺寸的优化设计公式。第二级优化则侧重于构件个数简化,确定与商用截面具有相同或改进性能的最小构件个数及截面尺寸。最终在保持材料用量不变的情况下,设计出同时满足工程中抗弯承载力和延性要求的标准化构件库。主要研究内容有:(1)根据冷弯型钢截面发展历程,分别研究了背靠背的双肢卷边槽钢截面、腹板翼缘加劲截面、腹板加劲折叠翼缘截面梁在单调加载和循环加载下的承载力和转动能力、初始刚度和刚度退化、变形和破坏模式、延性和耗能能力,并分析了冷弯型钢构件的耗能机制。(2)通过改变腹板翼缘加劲截面及腹板加劲折叠翼缘截面的尺寸以提升截面的承载力和延性。讨论不同承载力、延性权重下的截面尺寸优化结果并确定理想截面形式的最佳截面尺寸,分析钢材强度等级、增加加劲肋对构件性能的影响。(3)当材料用量一定时,分析构件承载力、延性随截面参数变化的具体趋势,从而明确截面尺寸应如何设计可获得较大承载力或延性。(4)当不限制材料用量时,分析构件承载力、延性随截面参数变化的具体趋势,提出了承载力、延性要求,并给出了在满足所提出的承载力、延性条件下,卷边槽钢截面、腹板翼缘加劲截面、腹板加劲折叠翼缘截面尺寸的优化设计公式。(5)探讨了在弯曲作用下,商业常用卷边槽钢的承载力、延性的范围,基于神经网络、遗传算法对截面的承载力和延性性能进行优化。提出适应度函数来执行二级优化,确定能够满足目前商用槽钢承载力-延性要求的最小优化后构件个数,分析标准构件库中截面替代商用截面的效率。结果表明:使用本文构造的神经网络-遗传算法模型预测冷弯型钢受弯构件的承载力和延性的误差小于2%,具有较高精度;优化后的腹板加劲折叠翼缘截面的承载力和延性分别比商业常用卷边槽钢高23.01%、216.67%,显著提升了构件承载力及延性性能;一个只含15个截面的新构件库即可代替48个商用槽钢的整体承载力和延性性能。

关键词：冷弯钢构件截面优化构件个数优化遗传算法神经网络承载力延性

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冷弯薄壁型钢受弯构件承载力与延性优化研究

工程力学 2021年第4期38卷 93-101页

作者：邓露钟玉婷杨远亮刘艳芝湖南大学土木工程学院长沙410082 湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室长沙410082

该文旨在通过改变冷弯型钢的截面尺寸来提高其承载力和延性。基于ABAQUS有限元软件建立已有试验模型,计算了不同尺寸下的腹板翼缘加劲截面和腹板加劲的折叠翼缘截面的抗弯承载力及延性,分析了上述2种截面的几何尺寸与抗弯承载力及延性... 详细信息

该文旨在通过改变冷弯型钢的截面尺寸来提高其承载力和延性。基于ABAQUS有限元软件建立已有试验模型,计算了不同尺寸下的腹板翼缘加劲截面和腹板加劲的折叠翼缘截面的抗弯承载力及延性,分析了上述2种截面的几何尺寸与抗弯承载力及延性的关系,并采用人工神经网络(ANNs)和遗传算法(GA)对截面尺寸进行优化;采用逼近理想解排序法(TOPSIS)分别确定了2种截面的最佳截面尺寸并提出截面尺寸的优化设计公式。结果表明:对壁厚为1.5 mm的冷弯薄壁型钢构件,在一定范围内增加截面腹板高度可以提高其抗弯承载力,采用较小的平翼缘宽度可以提高其延性,设置加劲肋的措施可以略微增加结构抗弯承载力但显著提高结构延性;在所研究的截面中,腹板加劲的折叠翼缘截面具有更好的力学性能。

关键词：冷弯钢构件截面优化遗传算法神经网络承载力延性