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    薄壁钢结构抗震能力的评估方法

    2019-02-10   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港资讯部获悉:目前常用的管材热弯工艺有火焰加热弯管、中频感应局部加热弯管和炉内加热弯管。火焰加热热效率不高,所以仅适用于弯制大直径薄壁管件。中频感应局部加热多用于外径85 mm以上大直径的碳钢和不锈钢管材的热弯,它是将中频感应圈套在管坯上,依靠中频感应电流,将管坯局部瞬时加热到所需高温( 800 e 1 200 e ) ,随即对加热部分进行弯曲(拉弯或推弯) 镁及其合金是弱磁性材料,中频感应局部加热显然是不适合的。将管材放置在炉内预加热的方法由于受加热效率低、弯曲成形时温度不易控制、弯曲件尺寸限制等许多因素的制约,也不适用于镁合金管材的热弯。国外研究人员采用模具传导加热进行了镁合金弯管研究,它是将模具加热至所需温度,管材不预先加热,通过管壁与模具接触使热量传导给管坯从而达到所需温度,经保温后再进行弯曲。但是该工艺的模具结构比较复杂,制件质量对工艺参数敏感,要求有充分的前期准备和试制工作。尤其是对于弯制薄壁管制件的情况,如果工艺参数选择不当,则很容易出现起皱现象,导致零件甚至是模具的报废。
      
      近些年来,在运输系统中迫切要求通过降低产品的自重来降低能源消耗和减少污染。镁合金由于其突出的优点,在客车轻量化研究和应用中日益受到重视。管材弯曲是一种重要的结构形式,管材塑性加工由于容易满足塑性成形产品轻量化、强韧化和低耗、高效、精确制造等方面的要求,已成为21世纪先进塑性加工技术研究与发展的一个重要方向。但是,镁合金在常温下的成形性能较差,而现有常用的热弯工艺又不适用于镁合金管材。本文对镁合金管材电阻加热弯曲的原理做了理论分析,选择AZ31B镁合金管材进行了大量的工艺试验研究。
      
      镁合金管材弯曲成形方法1. 1镁合金管材弯曲成形技术现状常用的镁合金管材为变形镁合金挤压成形产品,与铸造镁合金相比,具有更高的强度和延展性,以及更多样化的力学性能。镁具有密排六方晶格,室温下只有基面0001产生滑移,滑移系数仅为3个,晶面产生滑移的可能性相当有限,因而导致镁合金的塑性很低,冷态下变形十分困难,必须升高成形温度以实现镁合金的塑性成形。当成形温度升高到180 e 240 e之间时,随着孪晶的形成而有更多的附加滑移面产生,使镁合金的塑性得到很大提高而变形镁合金在300 e以上会表现出超塑性此,镁合金的塑性成形加工一般均是在热态条件下完成的。镁合金管材的弯曲成形应采用热弯工艺。
      
      中国钢管信息港资讯部获悉:近些年来,国外研究人员对镁合金弯管成形的研究显示,加热温度对镁合金弯管质量有很大的影响,当管坯加热至177 e以上时,弯曲后管壁的表面缺陷减少,壁厚的减薄变得更为均匀但是加热温度超过204 e时,管坯的弯曲质量下降,表面缺陷增多,壁厚的减薄均匀度下降。由于弯管成形对管材轻合金加工技术横截面形状和壁厚减薄有特殊要求,所以变形镁合金弯管塑性成形的加热温度不应过高。
      
      结构弹塑性分析主要有动力弹塑性分析和静力弹塑性分析两种。动力弹塑性分析也就是弹塑性时程分析最可靠的方法。但是,这种方法技术复杂,计算工作量大,结果处理烦琐,而且选取不同地震波所得出得同一结构反应差别很大,因此,在实际工程中的应用受到限制。相对而言,静力弹塑性分析( push over analysis)是一种结构非线性地震反应的简化计算方法,实用性强,近年来在国内外得到广泛的运用。
      
      近几年来,薄壁钢结构取得了飞速的发展。然而,历次地震中钢结构的震害情况表明,在强烈地震作用下,这种钢结构容易因局部或整体的压屈而破坏,因此,薄壁钢结构在地震作用下的抗震能力的评估成了一个急待解决的问题。在国内该方面的研究几乎是个空白。而在实际应用中考虑这种压屈是很困难的,因为要同时考虑可靠性和简单性。大量实验和数字分析表明:薄壁钢结构的临界局部压屈主要出现在有效破坏范围中构件的翼缘部位,并且结构的最大抗震能力就由这部分的承载力决定。通过确定有效破坏范围,应用可以模拟局部压屈特性的短柱延性的公式,提出一个简化的评估薄壁钢结构抗震能力的方法。
      
      1方法概述本方法的具体步骤为:1)根据结构的布局和荷载情况,建立分析模型 .如果是多自由度体系,则把地震反应主要由第一振型控制的多自由度体系等效为一个单自由度体系。
      
      昆明理工大学学报(理工版)式中, b为箱形截面的宽 h为箱形截面的高 A为截面面积 M为截面对Z轴的塑性力矩。
      
      2破坏的标准当箱形截面受压翼缘的平均压应变E等于破坏时的压应变E时,则结构达到极限状态。在文献中,已对有竖向加劲肋的箱形截面短柱在压弯状态下的性能做了广泛的研究,并得出了破坏应变的经验公式:式中, P为轴力 P为屈服轴压力 R为翼缘的宽厚比?
      
      为加劲肋的高宽比。
      
      在文献中,根据试验分析给出了用顶部位移表示的破坏标准经验公式:其中, 取屈服后荷载为95峰值荷载时所对应的结构的顶点位移。
      
      在框架结构中,达到临界压屈状态的部位不止一个 ,每一个部位都应该检查。在薄壁钢结构中,局部地方有过大变形的发生,结果会导致意料之外的应力重分布,因此,在进行静力弹塑性分析时,对出现塑性铰后结构的周期及水平荷载的施加应仔细计算和控制。
      
      3实例分析为证明这种评估方法的实用性与合理性,本文用一个单层刚性框架进行实例分析并和同一框架结构在反复周期荷载下的实验数据进行对照。
      
      本实例结构为一单层框架,梁和柱的截面都是有加劲肋的箱形截面并且尺寸相同,在梁柱节点处,梁昆明理工大学学报(理工版)和柱截面的厚度都加厚了一倍。几何尺寸为:层高5 m,跨度4 m, b = h = 500 mm, t = 0. 276.在进行静力弹塑性分析时,根据地震反应谱计算出结构顶部的水平荷载,逐级加载循环分析,直到破坏。实验则为周期反复加载试验,竖向施加恒载P = 0. 1P y.所用材料的力学性能指标如表1所示。
      
      材料的力学性能指标在本分析中,考虑到由于局部压屈、柱脚出现裂缝以及长细比小的柱子在循环荷载下出现疲劳而导致强度下降等原因,取峰值后最大强度的90所对应的位移作为评估延性的基点。
      
      在试验过程中,接近最大水平荷载时柱脚处的翼缘上首先出现压屈,最先只有加劲肋之间的翼缘板上有局部的压屈,然后整个翼缘板上都出现了压屈。柱子的压屈和梁的压屈不是同时的。
      
      中国钢管信息港资讯部获悉:虚线为周期加载试验曲线,粗虚线为其外包线粗实线为静力弹塑性分析结果。其中, a点为静力弹塑性分析时柱脚翼缘开始出现压屈的点 b点为周期加载试验的最大荷载点 c点为静力弹塑性分析时采用的破坏基准点y.可以看出考虑局部压屈的钢结构静力弹塑性分析方法和试验结果很接近。
      
      4结束语目前,对结构进行弹塑性分析已成为结构抗震设计的重要组成部分,弹塑性动力方法由于其复杂性,在实际中的运用受到限制。静力弹塑性分析(push over analysis)作为对结构抗震能力进行评估的简化方法,在现阶段是可行的。在强烈地震作用下,钢结构容易因为局部或整体的压屈而破坏,这种破坏又主要发生在翼缘部位,并且决定着钢结构的承载力和延性。为实际应用的方便性和实用性,局部压屈在静力弹塑性分析中又不便于考虑,因此就以钢结构短柱的破坏标准经验公式为基础,将局部压屈在破坏标准公式中全部考虑。计算分析和试验表明这种方法是合理而有效的。
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