王牌 土木工程的发展 1687 - 8094 1687 - 8086 Hindawi 10.1155 / 2021/4482887 4482887 研究文章 研究空心管法兰部分的影响在冷弯钢组合光束的行为 https://orcid.org/0000 - 0002 - 2869 - 7538 Shanmugam 巴拉吉 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 6513 - 9690 Palanisamy Manikandan 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 6212 - 5090 Awoyera 保罗O。 3 Chinnasamy Senthilnathan 1 苏 Mahalakshmi 1 Ralegaonkar 拉胡尔V。 1 土木工程学系 Kongu工程学院 Perundurai 638060 泰米尔纳德邦 印度 kongu.ac.in 2 土木工程学系 Sona技术学院 萨勒姆636005 泰米尔纳德邦 印度 sonatech.ac.in 3 土木工程学系 约大学 PMB 1023 在线旅行社 尼日利亚 covenantuniversity.edu.ng 2021年 27 9 2021年 2021年 30. 6 2021年 2 9 2021年 27 9 2021年 2021年 版权©2021巴拉Shanmugam et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

摘要弯曲行为的研究冷弯钢组合与空心管法兰焊接部分。有两种类型的测试部分,即组合部分,组装与加筋或非加强的通道耦合背靠背在web和空心管状矩形法兰顶部和底部的网络形成组合工字梁。弯曲的行为以及强度和失效模式的组合部分使用四点加载系统检查。非线性有限元(FE)模型是制定和验证与实验测试结果。这是观察到发达有限元模型准确地预测组合焊接层的行为。此外,验证有限元模型被用来进行冷弯钢组合梁的详细参数研究部分对厚度、深度,材料的屈服应力。梁的挠曲强度设计中指定使用直接强度法作为美国钢铁协会(AISI)对冷弯钢结构构件的设计和与实验结果的比较和失败从铁负荷预测模型。因为结果并不保守,一个新的定制的设计方程被提出,划定研究确定冷弯钢组合梁的挠曲强度与空心管法兰部分。

 1。介绍

冷弯钢(CFS)部分被转化为内在元素的建筑和建筑行业由于CFS的产品有一个更大的强度重量比,提高刚度,大规模生产,快速和简单的安装( 1, 2]。随着铝/锌涂层,CFS的应用部分已成为广泛的在世界各地。CFS组合部分一般有单引号或双对称的形状与加劲的嘴唇在法兰和非加强的或加筋网。

相当大量的调查被执行在最近的过去的行为和CFS梁在不同加载条件下的设计。王等人。 3)优化CFS梁的横截面形状和梁柱通过考虑轴向载荷和弯矩single-symmetric部分。元等。 4)和摩恩,谢弗( 5)研究CFS与洞梁的屈曲行为。小王和年轻 6]研究了CFS的行为组合部分梁不同螺旋安排。马等。 7)也表明为CFS管状横梁设计方程。然而,观察到CFS空心法兰组合部分结构比平时更有能力打开通道部分( 8]。传统组合截面的弯曲性能可以增强通过空心法兰部分大量的重心放在远离强烈的部分轴( 9]。

在1990年代早期,空心法兰梁有更好的屈曲能力的不同的形状在澳大利亚(首次推出 10]。除此之外,这些部分对畸变屈曲因为表现良好的存在刚性空心法兰部分网页的顶部和底部。冷弯空心法兰钢部分被认为是传统热轧和CFS的好处部分( 11]。只有少数研究已经进行矩形的行为( 12- - - - - - 16)和三角空心法兰部分( 17- - - - - - 19]。Keerthan et al。 2)建议设计方程来预测网络严重空心法兰梁部分的能力。

空心法兰CFS部分通常由冷成型一个钢板捏造或者一个更好的形状,或者仅仅是连接三个钢铁元素。前者过程相当复杂而后者因为空心法兰元素是人脉广泛的(网络)的顶部和底部,并确保通过铆钉/螺丝或点焊。此外,后者与不同等级和厚度可用于丁字断面(web和法兰) 8]。此外,残余应力和初始几何缺陷,不同于普通热轧和慢性疲劳综合症可能如果部分由冷成型制作一张( 2]。

在目前的调查,已经努力探索CFS空心管法兰组合工字梁的弯曲行为部分。梁由加筋和非加强的通道都是背靠背连接,形成一个网络和法兰顶部和底部。非线性有限元模型使用有限元分析软件ANSYS为该部分开发确认实验测试的结果。详细参数研究执行使用有限元模型对材料屈服应力等因素,梁的截面厚度和深度。根据美国钢铁协会标准的引用( 20.),用直接强度法(DSM)的估计强度梁与实验结果相比,破坏载荷预测从有限元模型。

 2。实验研究 2.1。空心管状凸缘工字梁部分

梁出来两个阶段;最初,通道部分是由冷成型一张使用press-braking流程,然后两个通道部分连接在一起(背靠背)工形截面的结构螺栓形成网络。后来,矩形空心管冷轧部分被链接的上面和下面web self-threaded螺丝。web和法兰与1.6毫米厚度,由钢和几何图形连接,以满足标准中给出的DSM CFS设计如图 1。紧固件是固定在web和法兰均匀间距为140毫米。紧固件的间距是由考虑设计的间距要求符合美国钢铁协会的规范( 20.]。螺丝和螺栓的公称直径是4.8毫米,10毫米,分别。紧固件的位置在梁的横截面图所示 2。两个测试系列的研究,加强检查和非加强的网络部分有三个不同的web纵横比(web长度web深度)等6日7.5,10测试系列。梁的长度是1500毫米,标本标签,这样web(加强或非加强的)和梁的深度很容易被识别。例如,标签等300表示非加强的网络样本的总高度300毫米。试样的细节如表所示 1。材料属性是由拉伸优惠券测试的平均值记录在测试展示在表 2。这些属性被用于研究的后期数值调查和强度计算。

非加强的梁截面几何图形:(a)节;(b)加筋梁部分。

纵向剖面表明紧固件的位置。

样品的细节。

标本 长度(毫米) 部分尺寸
w (毫米) d(毫米) t(毫米) 一个(毫米) b(毫米) h(毫米) H(毫米)
200年中国 1500年 One hundred. 25 1.6 - - - - - - 25 150年 200年
250年中国 1500年 One hundred. 25 1.6 - - - - - - 25 200年 250年
300年中国 1500年 One hundred. 25 1.6 - - - - - - 25 250年 300年
200年西南 1500年 One hundred. 25 1.6 17.5 17.5 150年 200年
250年西南 1500年 One hundred. 25 1.6 17.5 17.5 200年 250年
300年西南 1500年 One hundred. 25 1.6 17.5 17.5 250年 300年

材料属性。

杨氏模量(N /毫米2) 极限抗拉强度(N /毫米2) %伸长 屈服强度(N /毫米2)
2×105 310年 15.5 220年
2.2。测试设备和仪表

四点弯曲加载系统是用于测试标本。梁的两端被放置在一个滚子和固定的支持,分别提供一个简单的支持条件。支持之间的距离是1400毫米。测试了1000 kN的加载框架。三个变量线性位移传感器(线性)是用来测量平面垂直位移;在梁的跨中截面和加载下的其他两个点。线性是用来衡量网络的横向变形在跨中截面如图 3。许多应变仪检测整个截面如图 4在中跨梁的纵向压力记录。最初,一个简单的负载应用在梁允许加载和支持统一安排调整轴承。负载应用逐渐由一个液压千斤顶和监控负载细胞。整个设置关联到一个负载的数据采集系统,位移和应变读数记录每隔甚至整个测试。作为测试来检查负载下的面内变形,限制防止出平面运动提供支持和加载点。此外,钢6毫米厚度的缓冲板被放置在加载和支持,以避免应力集中在那些点。

测试设置和仪表。

位置的应变仪应变测量。

 3所示。数值调查

非线性有限元分析进行了利用ANSYS软件预测的性能提出了空心法兰组合部分。4点了点头壳181个元素(中线偏移选项)被用来模型梁部分和钢轴承在支持和加载点。基于模型的局限性,10毫米筛孔尺寸被带进拟议的研究。建模(图的连接 5),联轴器的选择是使用[ 21- - - - - - 23]。所显示Manikandan et al。 24),两种类型的分析,即特征值屈曲分析和静态非线性屈曲分析。特征值屈曲分析是用来发现屈曲载荷和相应的梁的屈曲模式,而中包含的材料和几何非线性的非线性屈曲分析。然而,残余应力和冷成型的影响操作被排除在分析。材料的非线性,采用双线性应力-应变曲线( 25]。几何缺陷是不计算在实验程序中,一个值 l/ 1000由徐等建议。 22[]和Kankanamge马亨德兰 26)被带进静态非线性屈曲分析。完整的有限元模型的空心法兰梁截面与轴承板块(加载点和支持)如图 6。

连接的有限元模型。

有限元模型与轴承板支持和加载点。

 4所示。理论研究

从实验值( 米经验值)和数值调查( 米有限元分析软件)与抗弯强度( 米需求侧管理)从直接强度法计算(DSM)使用符合美国钢铁协会的规范( 20.CFS结构成员。如上所述在DSM,名义挠曲强度是最不考虑屈曲载荷(横向扭转,当地和畸变)和相应的值进行了计算。

 5。结果与讨论

试验研究的结果,有限元分析和设计力量的DSM报道在表 3。非加强梁的载荷挠度响应部分如图 7。实验调查的一部分,纵向压力记录所有的标本用梁的应变计安装在不同的位置。例如,纵向应变随深度变化的梁跨250年中国部分如图 8。底部法兰和网络的下部(底部四分之三的web)已经证明一个相当积极的应变线性增加(由于紧张)每增加负载,而顶部法兰和网络的上部(顶部的高度四分之三web)表示一个相当消极应变线性增加(由于压缩)。然而,应变的变化在支持web部分被发现完全非线性。

比较的结果。

标本 极限载荷(kN) 米经验值/ 米有限元分析软件 米经验值/ 米需求侧管理 米有限元分析软件/ 米需求侧管理 失效模式
米经验值 米有限元分析软件 米需求侧管理
200年中国 14.74 15.78 9.79 0.93 1.51 1.61 FLB + GB
250年中国 12.99 14.35 10.92 0.91 1.19 1.31 FLB + GB
300年中国 9.68 9.98 11.96 0.97 0.81 0.83 WLB + GB
200年西南 8.96 9.51 6.28 0.94 1.43 1.51 FLB + GB
250年西南 10.78 10.15 7.83 1.06 1.38 1.30 FLB + GB
300年西南 11.14 11.62 8.70 0.96 1.28 1.34 WLB + GB

FLB:法兰局部屈曲;WLB:网络局部屈曲;GB:全球屈曲。

非加强梁的载荷挠度响应部分。

梁的纵向应变沿深度的变化在中跨250年等部分。

总是,部分200和250毫米的深度没有由于屈曲,进一步增加负荷,发生局部屈曲的张力法兰梁。然而,对于300毫米深度,由于细长的影响网络,故障是由网络的局部屈曲部分,和进一步提高负荷导致web屈曲的支持。的试样尺寸、梁的失效模式发现局部梁的最后部分,在那一刻几乎是零。这种行为说明了数据 9和 10,这清楚地表明,部分不能处理局部剪切破坏。这些数据表明,实验结果是符合的数值研究。

usw梁的破坏机理(非加强的)200节:(一)ANSYS;(b)实验。

usw梁的破坏机理(非加强的)300节:(一)实验;(b)有限元分析软件。

加强网络中断过早屈曲的法兰。然而,可以看出网络加强剂更靠近法兰导致过早背道而驰的web支持如图 11和 12。web屈曲有更多控制负荷的能力与翼缘屈曲梁相比。如果web加强剂接近凸缘(即。,一个tflange-web junction), their effectiveness get decreased. Therefore, the present study has found that the load carrying the capacity of unstiffened beam is superior than the stiffened beam section. Similar type of behavior was observed by Manikandan and Sukumar [ 25),其中组合工字梁的强度以及加强通道部分(背靠背连接)被发现小于光束与非加强的通道部分。

失效机理(加强)200 sw梁部分:(一)实验;(b)有限元分析软件。

失效机理(加强)300 sw梁部分:(一)实验;(b)有限元分析软件。

 6。参数研究

详细参数研究是借助验证有限元模型的计算强度和空心法兰组合梁的抗弯行为部分。参数研究只对非加强的空心法兰梁部分为加强web部分没有任何对梁的抗弯能力相当大的影响。屈服应力、深度和厚度的部分被认为是作为变量参数而梁长度和螺栓间距保持不变。材料的屈服应力为220 N /毫米2275 N /毫米2,340 N /毫米2,而部分的厚度为1.2毫米,1.6毫米,2毫米。总数量的27个有限元模型分析了参数研究。与理论研究结果和他们的比较表 4。它可以观察到,DSM值( 米需求侧管理与有限元分析的结果()并不是保守 米有限元分析软件)。DSM方法低估了冷弯钢组合梁的挠曲强度与空心矩形法兰部分。的平均值 米有限元分析软件/ 米需求侧管理比等于1.22标准差为0.24。因此,在这个调查,一个新的定制设计曲线(如图 13)和设计公式(给出方程( 1)提出了确定冷弯钢组合梁的挠曲强度与空心矩形法兰部分。的设计抗弯强度( 米D)是计算使用提出的设计方程,和的平均值 米有限元分析软件/ 米D比等于1.00标准差为0.13。设计挠曲强度已同意与有限元分析的结果。

评估的有限元分析和DSM的结果。

模型ID 深度(毫米) 屈服应力(N /毫米2) 厚度(毫米) 抗弯强度(kNm)
米有限元分析软件 米需求侧管理 米Y 米有限元分析软件/ 米需求侧管理 米D 米有限元分析软件/ 米D
D200Y220T1.2 200年 220年 1.2 9.33 6.02 17.98 1.55 7.82 1.19
D250Y220T1.2 250年 220年 1.2 7.23 6.67 24.66 1.08 7.37 0.98
D300Y220T1.2 300年 220年 1.2 6.65 7.28 31.81 0.91 7.09 0.94
D200Y275T1.2 200年 275年 1.2 10.76 6.93 22.48 1.55 8.50 1.27
D250Y275T1.2 250年 275年 1.2 8.34 7.67 30.82 1.09 7.92 1.05
D300Y275T1.2 300年 275年 1.2 7.93 8.37 39.77 0.95 7.89 1.01
D200Y340T1.2 200年 340年 1.2 12.28 7.92 27.79 1.55 9.13 1.34
D250Y340T1.2 250年 340年 1.2 9.98 8.76 38.11 1.14 8.55 1.17
D300Y340T1.2 300年 340年 1.2 9.13 9.54 49.17 0.96 9.10 1.00
D200Y220T1.6 200年 220年 1.6 15.78 9.79 23.80 1.61 14.22 1.11
D250Y220T1.6 250年 220年 1.6 14.35 10.92 32.64 1.31 14.20 1.01
D300Y220T1.6 300年 220年 1.6 9.98 11.96 42.13 0.83 13.74 0.73
D200Y275T1.6 200年 275年 1.6 16.40 11.30 29.75 1.45 15.83 1.04
D250Y275T1.6 250年 275年 1.6 14.91 12.58 40.80 1.19 15.43 0.97
D300Y275T1.6 300年 275年 1.6 12.05 13.76 52.66 0.88 14.76 0.82
D200Y340T1.6 200年 340年 1.6 16.86 12.94 36.78 1.30 17.38 0.97
D250Y340T1.6 250年 340年 1.6 15.33 14.38 50.44 1.07 16.58 0.92
D300Y340T1.6 300年 340年 1.6 14.39 15.71 65.11 0.92 15.84 0.91
D200Y220T2.0 200年 220年 2 22.81 14.19 29.52 1.61 21.63 1.05
D250Y220T2.0 250年 220年 2 21.70 15.92 40.51 1.36 22.67 0.96
D300Y220T2.0 300年 220年 2 21.14 15.74 47.07 1.34 20.47 1.03
D200Y275T2.0 200年 275年 2 23.33 16.42 36.90 1.42 24.52 0.95
D250Y275T2.0 250年 275年 2 23.25 18.36 50.63 1.27 25.10 0.93
D300Y275T2.0 300年 275年 2 22.15 18.14 58.83 1.22 22.25 1.00
D200Y340T2.0 200年 340年 2 23.61 18.84 45.62 1.25 27.41 0.86
D250Y340T2.0 250年 340年 2 23.47 21.02 62.60 1.12 27.41 0.86
D300Y340T2.0 300年 340年 2 22.37 20.73 72.74 1.08 23.90 0.94
的意思是 1.22 1.00
标准偏差 0.24 0.13

设计曲线。

此外,它可以注意到,屈服应力,深度,材料的厚度有显著影响的部分。然而,可以看出网络纵横比没有显著影响混凝土梁承载力计算的厚度和屈服应力更高。 (1) 米 D = 米 Y , 为 λ d ≤ 1.4 , 米 Y 0.697 米 Y 米 需求侧管理 − 3.24 米 Y 米 需求侧管理 + 3.96 , 为 λ d > 1.4 , 在哪里

米需求侧管理使用直接的挠曲强度设计方法吗

米Y是屈服强度

米D抗弯强度是设计

λd= 米 Y / 米 需求侧管理

7所示。结论

在这项工作中,详细调查进行了组合CFS梁的弯曲行为与空心管状凸缘部分,和以下推论:

由于必须考虑web屈曲和web长宽比的空心管法兰CFS组合部分的设计。

简单的web加强剂没有任何显著影响负荷能力。网络加强剂,靠近法兰(法兰/ web结)导致过早屈曲的网络支持。

的屈服应力、厚度、深度和web长宽比的部分发挥实质性作用在梁的抗弯能力。

实验结果与数值研究比我们。然而,几何缺陷的原因可能是轻微的差异值。失效模式预测的有限元模型完全匹配与实验测试结果。

梁的抗弯强度,使用符合美国钢铁协会的设计规范( 20.),与实验结果不匹配和破坏载荷预测(FE模型)。因此,定制的设计方程已经提出和描述在这个研究来确定冷弯钢组合梁的挠曲强度与空心管法兰部分。

数据可用性

“实验研究”数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 Sundararajah l 有关 M。 Keerthan P。 网络严重的高强度的实验用嘴唇接触通道one-flange荷载作用下梁 结构钢研究杂志》上 2017年 138年 851年 866年 10.1016 / j.jcsr.2017.06.011 2 - s2.0 - 85030711115 Keerthan P。 有关 M。 Steau E。 web的严重行为实验研究空心法兰频道梁在两个法兰负载情况 薄壁结构 2014年 85年 207年 219年 10.1016 / j.tws.2014.08.011 2 - s2.0 - 84907678106 王 B。 黄宗泽 g . L。 吉尔伯特 b P。 关 H。 格兰 l . H。 无约束的形状优化singly-symmetric和开放的冷弯钢梁和梁柱 薄壁结构 2016年 104年 54 61年 10.1016 / j.tws.2016.03.007 2 - s2.0 - 84960422143 元 W.-b。 余 N.-t。 李 L.-y。 畸变屈曲的穿孔冷弯钢槽形梁圆洞网络 国际机械科学杂志》上 2017年 126年 255年 260年 10.1016 / j.ijmecsci.2017.04.001 2 - s2.0 - 85017432906 摩恩 c, D。 谢弗 b·W。 冷弯钢柱和梁的弹性变形与漏洞 工程结构 2009年 31日 12 2812年 2824年 10.1016 / j.engstruct.2009.07.007 2 - s2.0 - 70449523014 王 l 年轻的 B。 冷弯钢组合截面梁的行为和设计不同的螺杆的安排 薄壁结构 2018年 131年 16 32 10.1016 / j.tws.2018.06.022 2 - s2.0 - 85049335008 马 J.-L。 陈 T.-M。 年轻的 B。 冷弯高强度钢管梁的设计 工程结构 2017年 151年 432年 443年 10.1016 / j.engstruct.2017.08.002 2 - s2.0 - 85029301109 Kesawan 年代。 有关 M。 迪亚斯 Y。 赵 W.-B。 压缩的测试组合钢冷弯空心法兰部分 薄壁结构 2017年 116年 180年 193年 10.1016 / j.tws.2017.03.004 2 - s2.0 - 85016148966 Tondini N。 Morbioli 一个。 横截面冷弯laterally-restrained钢矩形空心法兰梁的抗弯能力 薄壁结构 2015年 95年 196年 207年 10.1016 / j.tws.2015.06.018 2 - s2.0 - 84937202682 一个澳大利亚管钢厂(OATM) Lite钢梁的设计 2008年 澳大利亚布里斯班 一个澳大利亚管钢厂(OATM) 邓普西 r . I。 行为和结构设计的空心法兰梁 第二届全国结构工程会议 1990年1月 澳大利亚阿德莱德 机构的工程师 327年 335年 Kesawan 年代。 Jatheeshan V。 有关 M。 高温力学性能的空心法兰部分频道 建筑和建筑材料 2015年 87年 86年 99年 10.1016 / j.conbuildmat.2015.03.107 2 - s2.0 - 84927915294 Kesawan 年代。 有关 M。 火灾后力学性能的冷弯钢空心部分 建筑和建筑材料 2018年 161年 26 36 10.1016 / j.conbuildmat.2017.11.077 2 - s2.0 - 85034966931 Magnucka-Blandzi E。 有效的冷弯成形薄壁通道与两厢法兰在纯弯曲梁 薄壁结构 2011年 49 1 121年 128年 10.1016 / j.tws.2010.08.013 2 - s2.0 - 78649485084 Anapayan T。 有关 M。 改进设计规则空心法兰部分横向畸变屈曲 薄壁结构 2012年 50 1 128年 140年 10.1016 / j.tws.2011.09.004 2 - s2.0 - 81055157564 Anapayan T。 有关 M。 Mahaarachchi D。 横向畸变屈曲测试新的空心法兰槽形梁 薄壁结构 2011年 49 1 13 25 10.1016 / j.tws.2010.08.003 2 - s2.0 - 78649462102 艾弗里 P。 有关 M。 有限元分析空心法兰梁与网络加强剂 结构工程杂志 1997年 123年 9 1123年 1129年 10.1061 /(第3期)0733 - 9445 (1997)123:9 (1123) 2 - s2.0 - 0031235354 有关 M。 艾弗里 P。 在空心法兰梁屈曲实验与web加强剂 结构工程杂志 2002年 123年 1130年 1134年 10.1061 /(第3期)0733 - 9445 2 - s2.0 - 2942756321 艾弗里 P。 有关 M。 纳西尔 一个。 空心法兰梁的抗弯能力 结构钢研究杂志》上 2000年 53 2 201年 223年 10.1016 / s0143 - 974 x (99) 00067 - x 2 - s2.0 - 0033894452 美国钢铁协会 AISI-S100:冷弯钢结构构件的设计规范 2016年 美国IL花岗岩城 美国钢铁协会 任 W.-X。 方 信息。 年轻的 B。 冷弯钢的有限元模拟和设计渠道受到网络瘫痪 结构工程杂志 2006年 132年 12 1967年 1975年 10.1061 /(第3期)0733 - 9445 2 - s2.0 - 2942756321 徐 l Sultana P。 周 X。 抗弯强度的冷弯钢板组合箱部分 薄壁结构 2009年 47 6 - 7 807年 815年 10.1016 / j.tws.2009.01.005 2 - s2.0 - 64049083312 牧师 M . M。 Roure F。 开放截面梁在纯弯曲二世。有限元模拟 薄壁结构 2009年 47 5 514年 521年 10.1016 / j.tws.2008.10.021 2 - s2.0 - 60949090751 Manikandan P。 巴拉吉 年代。 Sukumar 年代。 Sivakumar M。 实验和数值分析的网络加强了冷弯槽钢柱与各种类型的边缘加劲肋 国际先进的结构工程杂志》上 2017年 9 2 129年 138年 10.1007 / s40091 - 017 - 0153 - 1 2 - s2.0 - 85020452000 Manikandan P。 Sukumar 年代。 复杂的行为加强了冷弯钢组合部分边缘弯曲下加强剂 KSCE土木工程杂志》上 2015年 19 7 2108年 2115年 10.1007 / s12205 - 015 - 1221 - 3 2 - s2.0 - 84946486184 Kankanamge d . N。 有关 M。 行为和冷弯钢梁设计lateral-torsional屈曲 薄壁结构 2012年 51 25 38 10.1016 / j.tws.2011.10.012 2 - s2.0 - 84555219755