冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲機(jī)理與結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今的建筑領(lǐng)域，隨著城市化進(jìn)程的加速和建筑技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)材料的性能和效率提出了更高的要求。冷成型鋼構(gòu)件因其諸多卓越特性，在工業(yè)與民用建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。冷成型鋼構(gòu)件是通過(guò)在常溫下對(duì)鋼材進(jìn)行冷彎、冷拔、冷軋等冷加工方式成型的鋼材。這種加工方式使其具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，冷成型鋼構(gòu)件還具備良好的加工性能和尺寸精度，能夠滿足多樣化的建筑設(shè)計(jì)需求。從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，其上游產(chǎn)業(yè)涵蓋鋼鐵冶煉、鋼材加工等，為冷成型鋼提供原材料與加工設(shè)備；中游是冷成型鋼的生產(chǎn)企業(yè)，負(fù)責(zé)將原材料加工成各種規(guī)格和型號(hào)的產(chǎn)品；下游則涉及建筑、機(jī)械制造、汽車制造、船舶制造等多個(gè)領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，冷成型鋼構(gòu)件常用于鋼結(jié)構(gòu)房屋、廠房、倉(cāng)庫(kù)等建筑物的搭建，符合現(xiàn)代建筑對(duì)綠色、環(huán)保、節(jié)能的要求。例如在裝配式輕鋼龍骨復(fù)合剪力墻房屋建筑結(jié)構(gòu)體系中，冷成型鋼作為主要承重構(gòu)件，展現(xiàn)出輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)、施工便利等優(yōu)勢(shì)，有效提升了建筑的綜合性能。然而，冷成型鋼構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著一些挑戰(zhàn)，其中畸變屈曲問題尤為突出?；兦抢涑尚弯摌?gòu)件特有的一種屈曲模式，是指構(gòu)件在荷載作用下，其截面的一部分發(fā)生局部屈曲，同時(shí)伴隨著截面形狀的改變和扭轉(zhuǎn)。這種屈曲模式會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力大幅下降，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。一旦冷成型鋼構(gòu)件發(fā)生畸變屈曲，可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，致使整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的性能惡化，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)坍塌等嚴(yán)重事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。如在某些強(qiáng)風(fēng)區(qū)的建筑中，由于冷成型鋼構(gòu)件受到風(fēng)擋和風(fēng)荷載的作用，發(fā)生了屈曲畸變，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)受損，影響了建筑的正常使用。同時(shí)，結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能對(duì)于保障建筑在風(fēng)荷載、地震作用等側(cè)向力作用下的安全至關(guān)重要。在風(fēng)荷載作用下，建筑物會(huì)受到水平方向的風(fēng)力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移、變形甚至破壞；而在地震作用下，地面的震動(dòng)會(huì)使建筑物產(chǎn)生慣性力，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能提出了更高的考驗(yàn)。如果結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能不足，在遭遇強(qiáng)風(fēng)或地震等自然災(zāi)害時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)可能無(wú)法承受側(cè)向力的作用，從而發(fā)生倒塌等嚴(yán)重后果。對(duì)冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。從保障結(jié)構(gòu)安全角度來(lái)看，深入了解畸變屈曲的發(fā)生機(jī)理和影響因素，以及準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，有助于制定合理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和規(guī)范，從而提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，減少因結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致的安全事故。從推動(dòng)行業(yè)發(fā)展角度而言，研究成果可以為冷成型鋼構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新型結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)提供理論支持，促進(jìn)冷成型鋼在建筑領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用，推動(dòng)建筑行業(yè)朝著綠色、節(jié)能、高效的方向發(fā)展。此外，相關(guān)研究成果還能為其他相關(guān)領(lǐng)域，如機(jī)械制造、船舶制造等，在材料應(yīng)用和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提供有益的參考，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重要課題，經(jīng)過(guò)多年研究，取得了較為豐碩的成果。在畸變屈曲研究方面，國(guó)外起步相對(duì)較早。早期，學(xué)者們主要通過(guò)試驗(yàn)手段來(lái)探索畸變屈曲的現(xiàn)象和規(guī)律。如澳洲的Rasmussen[具體文獻(xiàn)1]對(duì)多種冷成型鋼截面構(gòu)件進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，詳細(xì)記錄了構(gòu)件在加載過(guò)程中的變形情況，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件在達(dá)到一定荷載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部的翹曲變形，且這種變形伴隨著截面的扭轉(zhuǎn)，首次較為系統(tǒng)地揭示了冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的基本特征。隨后，美國(guó)的Winter[具體文獻(xiàn)2]通過(guò)大量試驗(yàn)，建立了基于有效寬度法的冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲承載力計(jì)算理論，該理論考慮了構(gòu)件的板件寬厚比、邊界條件等因素對(duì)畸變屈曲的影響，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究畸變屈曲的重要手段。英國(guó)的Davies[具體文獻(xiàn)3]利用有限元軟件對(duì)冷成型鋼構(gòu)件進(jìn)行數(shù)值模擬，深入分析了構(gòu)件在不同荷載工況下的應(yīng)力分布和變形模式，進(jìn)一步驗(yàn)證和完善了試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)通過(guò)參數(shù)化分析，研究了截面尺寸、材料性能等參數(shù)對(duì)畸變屈曲的影響規(guī)律。國(guó)內(nèi)對(duì)冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的研究始于上世紀(jì)末。同濟(jì)大學(xué)的陳以一教授[具體文獻(xiàn)4]團(tuán)隊(duì)開展了一系列冷成型鋼構(gòu)件的試驗(yàn)研究，對(duì)不同截面形式的構(gòu)件進(jìn)行軸心受壓、偏心受壓和受彎試驗(yàn)，全面研究了構(gòu)件的屈曲性能，提出了適用于國(guó)內(nèi)冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲設(shè)計(jì)方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的武振宇教授[具體文獻(xiàn)5]團(tuán)隊(duì)則通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲進(jìn)行深入研究，建立了考慮初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力影響的畸變屈曲分析模型，提高了畸變屈曲計(jì)算的準(zhǔn)確性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者還針對(duì)一些新型冷成型鋼構(gòu)件開展研究，如華南理工大學(xué)的蔡健教授[具體文獻(xiàn)6]團(tuán)隊(duì)對(duì)新型閉口冷成型鋼構(gòu)件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在抑制畸變屈曲方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了其畸變屈曲性能和設(shè)計(jì)方法。在結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究方面，國(guó)外研究重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)體系的整體力學(xué)性能和抗震性能。日本由于處于地震多發(fā)區(qū)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究尤為重視。學(xué)者們通過(guò)大量的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了多種結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的響應(yīng)，如日本學(xué)者Fujimoto[具體文獻(xiàn)7]對(duì)鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)和能量耗散特性，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的設(shè)計(jì)建議。美國(guó)在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究方面成果顯著，如美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)（ASCE）制定的相關(guān)規(guī)范中，對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)體系在風(fēng)荷載作用下的抗側(cè)力設(shè)計(jì)方法做出了詳細(xì)規(guī)定，基于大量的風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了風(fēng)荷載計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。國(guó)內(nèi)在結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究方面也取得了眾多成果。清華大學(xué)的聶建國(guó)院士[具體文獻(xiàn)8]團(tuán)隊(duì)對(duì)組合結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能進(jìn)行深入研究，通過(guò)試驗(yàn)和理論分析，研究了鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作機(jī)理和破壞模式，提出了組合結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力設(shè)計(jì)方法和計(jì)算理論。東南大學(xué)的呂志濤院士[具體文獻(xiàn)9]團(tuán)隊(duì)針對(duì)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能開展研究，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載能力，提出了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)荷載作用下的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。此外，國(guó)內(nèi)還開展了大量關(guān)于新型結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能的研究，如上海大學(xué)的李忠獻(xiàn)教授[具體文獻(xiàn)10]團(tuán)隊(duì)對(duì)巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，分析了該結(jié)構(gòu)體系在水平荷載作用下的受力特性和變形規(guī)律，提出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的措施。盡管國(guó)內(nèi)外在冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足和待解決問題。在畸變屈曲研究方面，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲機(jī)理研究還不夠深入，如構(gòu)件同時(shí)承受軸力、彎矩和扭矩時(shí)的畸變屈曲行為，目前的研究還無(wú)法全面準(zhǔn)確地描述。在結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究方面，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)體系在多種荷載組合作用下的協(xié)同工作性能研究還不夠完善，如在地震和風(fēng)荷載同時(shí)作用下，結(jié)構(gòu)體系各部分之間的相互作用和內(nèi)力分配規(guī)律還需要進(jìn)一步深入研究。此外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何將研究成果更好地融入到設(shè)計(jì)規(guī)范和施工標(biāo)準(zhǔn)中，提高冷成型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，也是亟待解決的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入剖析冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能，主要涵蓋以下幾個(gè)方面：冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲理論分析：對(duì)冷成型鋼構(gòu)件在不同受力狀態(tài)下的畸變屈曲理論進(jìn)行深入研究，分析其屈曲機(jī)理，建立考慮材料非線性、幾何非線性以及初始缺陷影響的畸變屈曲理論模型。通過(guò)理論推導(dǎo)，得出構(gòu)件畸變屈曲臨界荷載的計(jì)算公式，并與現(xiàn)有理論進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性和合理性。冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并開展一系列冷成型鋼構(gòu)件的試驗(yàn)，包括軸心受壓、偏心受壓和受彎試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，觀察構(gòu)件在加載過(guò)程中的變形模式和破壞形態(tài)，測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，獲取構(gòu)件的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線等試驗(yàn)結(jié)果。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究構(gòu)件的畸變屈曲性能，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，并為數(shù)值模擬提供試驗(yàn)依據(jù)。冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲數(shù)值模擬：利用有限元軟件建立冷成型鋼構(gòu)件的數(shù)值模型，模擬構(gòu)件在不同荷載工況下的力學(xué)行為?？紤]材料的本構(gòu)關(guān)系、幾何非線性、初始缺陷等因素，對(duì)構(gòu)件的畸變屈曲過(guò)程進(jìn)行精確模擬。通過(guò)數(shù)值模擬，分析構(gòu)件的應(yīng)力分布、變形模式和屈曲模態(tài)，研究不同參數(shù)對(duì)構(gòu)件畸變屈曲性能的影響規(guī)律。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性，并進(jìn)一步開展參數(shù)化分析，為構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能理論分析：研究不同結(jié)構(gòu)體系在風(fēng)荷載、地震作用等側(cè)向力作用下的力學(xué)性能，建立結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能分析的理論模型?？紤]結(jié)構(gòu)體系的幾何形狀、構(gòu)件連接方式、材料性能等因素，分析結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分布、變形協(xié)調(diào)關(guān)系和耗能機(jī)制，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度和承載能力的計(jì)算公式。結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能試驗(yàn)研究：進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的模型試驗(yàn)，模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的受力情況。通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)量結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)、應(yīng)變響應(yīng)等數(shù)據(jù)，觀察結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和損傷發(fā)展過(guò)程。分析試驗(yàn)結(jié)果，研究結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，并為數(shù)值模擬提供試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能數(shù)值模擬：運(yùn)用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行數(shù)值模擬，建立結(jié)構(gòu)體系的整體模型?？紤]結(jié)構(gòu)體系的非線性特性、構(gòu)件之間的相互作用以及邊界條件等因素，模擬結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的響應(yīng)。通過(guò)數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)和抗倒塌性能，研究不同結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能差異和影響因素。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究綜合運(yùn)用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三種方法，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。理論分析為試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和計(jì)算公式，從理論層面揭示冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能的內(nèi)在規(guī)律；試驗(yàn)研究則是獲取真實(shí)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的重要手段，能夠直觀地反映構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際力學(xué)行為，為理論分析和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)；數(shù)值模擬具有高效、靈活、可重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以對(duì)各種復(fù)雜工況進(jìn)行模擬分析，深入研究不同因素對(duì)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系性能的影響，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性。通過(guò)這三種方法的有機(jī)結(jié)合，全面、深入地研究冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲及結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能，為冷成型鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。二、冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲理論基礎(chǔ)2.1畸變屈曲的概念與特征畸變屈曲是冷成型鋼構(gòu)件在特定受力狀態(tài)下發(fā)生的一種屈曲模式，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力有著關(guān)鍵影響。當(dāng)冷成型鋼構(gòu)件受到軸力、彎矩、剪力等荷載作用時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力分布會(huì)發(fā)生變化。在達(dá)到一定的荷載水平后，構(gòu)件的截面會(huì)出現(xiàn)局部變形，這種變形不僅包括板件的平面外位移，還伴隨著截面形狀的改變以及板件之間夾角的變化，這種特殊的屈曲現(xiàn)象即為畸變屈曲。與其他屈曲形式相比，畸變屈曲具有獨(dú)特的變形特征。在局部屈曲中，板件主要圍繞板件交線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且交線保持直線狀態(tài)。例如，在一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形板件受均勻壓力作用時(shí)，當(dāng)壓力達(dá)到局部屈曲臨界荷載，板件會(huì)出現(xiàn)波浪狀的屈曲變形，各板件交線依然保持直線，相鄰板件夾角不變。而對(duì)于整體屈曲，整個(gè)橫截面會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或側(cè)移，但其截面形狀不發(fā)生變化。以軸心受壓的工字形截面柱為例，在整體屈曲時(shí)，柱子會(huì)繞著弱軸或強(qiáng)軸發(fā)生彎曲變形，截面的形狀和尺寸在變形過(guò)程中基本保持不變。畸變屈曲則表現(xiàn)為受壓板件的連接處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，致使相鄰板件產(chǎn)生位移，進(jìn)而改變?cè)瓉?lái)的截面形狀和輪廓尺寸。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼構(gòu)件，在軸心受壓情況下，當(dāng)發(fā)生畸變屈曲時(shí)，卷邊翼緣會(huì)繞翼緣和腹板的交線轉(zhuǎn)動(dòng)，使得截面形狀發(fā)生改變，同時(shí)腹板也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生局部彎曲變形，構(gòu)件沿軸向出現(xiàn)類似局部屈曲的畸變波曲變形，且卷邊與翼緣交線不再保持挺直假定。從屈曲半波長(zhǎng)來(lái)看，畸變屈曲時(shí)的波長(zhǎng)介于局部屈曲和整體屈曲之間。在一些試驗(yàn)研究中，通過(guò)對(duì)不同屈曲模式下構(gòu)件的變形測(cè)量，發(fā)現(xiàn)局部屈曲的半波長(zhǎng)相對(duì)較短，整體屈曲的半波長(zhǎng)較長(zhǎng)，而畸變屈曲的半波長(zhǎng)處于兩者之間，這也是其區(qū)別于其他屈曲形式的一個(gè)重要特征?；兦钠茐男螒B(tài)也具有一定的特殊性。在構(gòu)件發(fā)生畸變屈曲時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的局部變形集中區(qū)域，這些區(qū)域的應(yīng)力分布不均勻，且變形發(fā)展迅速。在冷成型鋼檁條的受彎試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)生畸變屈曲時(shí)，在檁條的翼緣和腹板連接處會(huì)出現(xiàn)明顯的褶皺和變形，隨著荷載的增加，這些變形區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致構(gòu)件喪失承載能力。而且，畸變屈曲的破壞往往具有突然性，在構(gòu)件達(dá)到臨界荷載之前，變形可能并不明顯，但一旦發(fā)生畸變屈曲，構(gòu)件的承載能力會(huì)急劇下降，這給結(jié)構(gòu)的安全性帶來(lái)了很大的隱患。2.2影響畸變屈曲的因素2.2.1材料特性鋼材的強(qiáng)度是影響冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的重要因素之一。隨著鋼材強(qiáng)度的提高，構(gòu)件的承載能力相應(yīng)增強(qiáng)，其抵抗畸變屈曲的能力也會(huì)有所提升。高強(qiáng)度鋼材在相同荷載作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)較小，使得構(gòu)件在達(dá)到畸變屈曲臨界狀態(tài)之前能夠承受更大的荷載。有研究表明，對(duì)于采用Q345鋼材制作的冷成型鋼構(gòu)件，其在軸心受壓時(shí)的畸變屈曲臨界荷載比采用Q235鋼材制作的構(gòu)件高出約20%。這是因?yàn)镼345鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更高，能夠更好地承受壓力，延緩畸變屈曲的發(fā)生。彈性模量反映了鋼材抵抗彈性變形的能力，對(duì)冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲也有著顯著影響。彈性模量較大的鋼材，在受力時(shí)變形較小，構(gòu)件的剛度相對(duì)較大，從而提高了構(gòu)件的抗畸變屈曲能力。當(dāng)構(gòu)件受到荷載作用時(shí)，彈性模量高的鋼材能夠更有效地抑制板件的變形，使得構(gòu)件在更高的荷載水平下才會(huì)發(fā)生畸變屈曲。在一些試驗(yàn)中，對(duì)相同截面尺寸和邊界條件的冷成型鋼構(gòu)件，分別采用彈性模量不同的鋼材進(jìn)行制作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈性模量較高的構(gòu)件，其畸變屈曲臨界荷載明顯高于彈性模量較低的構(gòu)件。屈服強(qiáng)度作為鋼材的一個(gè)關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)，直接決定了構(gòu)件開始發(fā)生塑性變形的荷載水平。當(dāng)構(gòu)件所受荷載達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料進(jìn)入塑性階段，構(gòu)件的變形會(huì)迅速增大，這對(duì)畸變屈曲的發(fā)生和發(fā)展有著重要影響。如果構(gòu)件在未達(dá)到畸變屈曲臨界荷載之前就進(jìn)入塑性階段，其剛度會(huì)降低，從而更容易發(fā)生畸變屈曲。對(duì)于屈服強(qiáng)度較低的鋼材，在較小的荷載作用下就可能出現(xiàn)塑性變形，導(dǎo)致構(gòu)件的抗畸變屈曲能力下降。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的受力情況和設(shè)計(jì)要求，合理選擇鋼材的屈服強(qiáng)度，以確保構(gòu)件具有足夠的抗畸變屈曲能力。2.2.2截面幾何參數(shù)截面形狀是影響冷成型鋼構(gòu)件抗畸變屈曲能力的關(guān)鍵幾何參數(shù)之一。不同的截面形狀具有不同的幾何特性和受力性能，從而對(duì)畸變屈曲產(chǎn)生不同的影響。例如，開口截面的冷成型鋼構(gòu)件，如槽鋼、角鋼等，由于其截面的不封閉性，在受力時(shí)容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)和翹曲變形，導(dǎo)致畸變屈曲的發(fā)生。而閉口截面的構(gòu)件，如方管、圓管等，其截面的封閉性使得構(gòu)件具有較好的抗扭性能，能夠有效抑制畸變屈曲的發(fā)生。有研究表明，在相同的受力條件下，閉口截面構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載比開口截面構(gòu)件高出50%以上。這是因?yàn)殚]口截面能夠更好地約束板件的變形，使得構(gòu)件在受力時(shí)更加穩(wěn)定。截面尺寸對(duì)冷成型鋼構(gòu)件的抗畸變屈曲能力也有著重要影響。一般來(lái)說(shuō)，增大截面的尺寸，如翼緣寬度、腹板高度等，可以提高構(gòu)件的慣性矩和截面模量，從而增強(qiáng)構(gòu)件的抗彎和抗扭能力，提高其抗畸變屈曲能力。當(dāng)翼緣寬度增加時(shí)，構(gòu)件的抗彎剛度增大，能夠更好地抵抗彎矩作用下的變形，減少畸變屈曲的可能性。在一些數(shù)值模擬研究中，通過(guò)改變冷成型鋼構(gòu)件的截面尺寸，發(fā)現(xiàn)隨著翼緣寬度和腹板高度的增加，構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而，增大截面尺寸也會(huì)增加構(gòu)件的自重和成本，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種因素，選擇合適的截面尺寸。壁厚是影響冷成型鋼構(gòu)件抗畸變屈曲能力的另一個(gè)重要幾何參數(shù)。壁厚越大，構(gòu)件的剛度和承載能力就越高，抵抗畸變屈曲的能力也就越強(qiáng)。較厚的壁厚可以有效地抑制板件的局部屈曲，從而提高構(gòu)件的整體抗畸變屈曲性能。在實(shí)際工程中，對(duì)于承受較大荷載的冷成型鋼構(gòu)件，通常會(huì)采用較大的壁厚來(lái)提高其抗畸變屈曲能力。但壁厚過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致材料的浪費(fèi)和成本的增加，同時(shí)還可能影響構(gòu)件的加工性能。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)構(gòu)件的受力情況和經(jīng)濟(jì)要求，合理確定壁厚。2.2.3殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是指在構(gòu)件加工制造過(guò)程中，由于冷加工、焊接、切割等工藝操作，在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生并殘留下來(lái)的應(yīng)力。在冷成型鋼構(gòu)件的加工過(guò)程中，如冷彎成型時(shí)，鋼材受到不均勻的塑性變形，會(huì)在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接過(guò)程中，由于焊縫及其附近區(qū)域的熱脹冷縮不均勻，也會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部形成自平衡的應(yīng)力體系，雖然在構(gòu)件未受外荷載時(shí)不會(huì)表現(xiàn)出明顯的影響，但在構(gòu)件承受外荷載時(shí)，會(huì)與外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力相互疊加，從而對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。在畸變屈曲過(guò)程中，殘余應(yīng)力會(huì)改變構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)構(gòu)件受到外荷載作用時(shí)，殘余拉應(yīng)力會(huì)與外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，使該區(qū)域的應(yīng)力水平升高，從而降低構(gòu)件的局部屈曲臨界應(yīng)力；而殘余壓應(yīng)力則會(huì)與外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加，進(jìn)一步增加壓應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力，使得該區(qū)域更容易發(fā)生屈曲變形。在冷彎卷邊槽鋼構(gòu)件中，翼緣與腹板連接處由于冷彎加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，在承受壓力荷載時(shí)，該區(qū)域的殘余壓應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加，導(dǎo)致該區(qū)域成為畸變屈曲的起始位置。殘余應(yīng)力還會(huì)影響構(gòu)件的變形模式。由于殘余應(yīng)力的存在，構(gòu)件在受力時(shí)的變形不再均勻，會(huì)出現(xiàn)局部變形集中的現(xiàn)象。這種局部變形集中會(huì)加速構(gòu)件的畸變屈曲過(guò)程，降低構(gòu)件的承載能力。在一些試驗(yàn)研究中，通過(guò)對(duì)含有殘余應(yīng)力的冷成型鋼構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件在加載初期就出現(xiàn)了明顯的局部變形，且變形發(fā)展迅速，最終導(dǎo)致構(gòu)件在較低的荷載水平下發(fā)生畸變屈曲。此外，殘余應(yīng)力還會(huì)影響構(gòu)件的屈曲后性能，使得構(gòu)件在屈曲后更容易發(fā)生破壞。2.2.4初始缺陷冷成型鋼構(gòu)件在加工制作、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生初始幾何缺陷，如構(gòu)件的初彎曲、初扭曲以及板件的局部凹凸不平。這些初始幾何缺陷會(huì)對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，尤其是在畸變屈曲方面。初彎曲會(huì)使構(gòu)件在承受軸向壓力時(shí)產(chǎn)生附加彎矩，從而增大構(gòu)件的變形和應(yīng)力，降低其抗畸變屈曲能力。當(dāng)初彎曲的幅度較大時(shí)，構(gòu)件在較小的荷載作用下就可能發(fā)生畸變屈曲。初扭曲則會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件在受力時(shí)產(chǎn)生扭矩，使構(gòu)件的截面發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，進(jìn)一步加劇畸變屈曲的發(fā)生。初始幾何缺陷對(duì)畸變屈曲臨界荷載有著明顯的降低作用。研究表明，隨著初始幾何缺陷的增大，冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載會(huì)逐漸減小。當(dāng)初始幾何缺陷達(dá)到一定程度時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載可能會(huì)降低50%以上。這是因?yàn)槌跏紟缀稳毕輹?huì)改變構(gòu)件的受力狀態(tài)，使得構(gòu)件在較低的荷載水平下就進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。在數(shù)值模擬分析中，通過(guò)在冷成型鋼構(gòu)件的有限元模型中引入不同程度的初始幾何缺陷，發(fā)現(xiàn)初始幾何缺陷越大，構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載越低，且兩者之間呈現(xiàn)出近似線性的關(guān)系。初始幾何缺陷還會(huì)改變構(gòu)件的屈曲模式。在理想情況下，冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲可能呈現(xiàn)出較為規(guī)則的模式，但當(dāng)存在初始幾何缺陷時(shí)，屈曲模式會(huì)變得更加復(fù)雜和不規(guī)則。初始幾何缺陷會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的局部應(yīng)力集中，使得屈曲首先在缺陷部位發(fā)生，然后向其他部位擴(kuò)展，從而改變了構(gòu)件的整體屈曲模式。在一些試驗(yàn)中，觀察到含有初始幾何缺陷的冷成型鋼構(gòu)件在發(fā)生畸變屈曲時(shí)，屈曲變形不再均勻分布，而是集中在缺陷部位附近，且屈曲波的形狀和分布也與理想情況不同。2.3畸變屈曲理論模型經(jīng)典的畸變屈曲理論模型中，彈性薄板理論是重要基礎(chǔ)。該理論基于小變形假設(shè)，認(rèn)為薄板在受力變形過(guò)程中，板內(nèi)各點(diǎn)的位移遠(yuǎn)小于板的厚度，且板的法線在變形后仍保持為直線，只是發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。在分析冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲時(shí)，將構(gòu)件的板件視為彈性薄板，通過(guò)建立板件的平衡微分方程來(lái)求解屈曲問題。對(duì)于四邊簡(jiǎn)支的矩形薄板，在均勻壓力作用下，其屈曲臨界應(yīng)力可通過(guò)經(jīng)典的瑞利-里茲法求解得到。設(shè)薄板的長(zhǎng)度為a，寬度為b，厚度為t，彈性模量為E，泊松比為\nu，則其屈曲臨界應(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)，與板的邊界條件和屈曲半波數(shù)有關(guān)。當(dāng)板件的邊界條件為四邊簡(jiǎn)支時(shí)，k的最小值為4，此時(shí)對(duì)應(yīng)的屈曲半波數(shù)為1。能量法也是分析畸變屈曲的常用理論模型。能量法的基本原理是基于能量守恒定律，通過(guò)計(jì)算構(gòu)件在變形過(guò)程中的應(yīng)變能和外力功，來(lái)確定構(gòu)件的屈曲臨界狀態(tài)。在冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲分析中，構(gòu)件發(fā)生畸變屈曲時(shí)，板件會(huì)產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，從而儲(chǔ)存應(yīng)變能。當(dāng)構(gòu)件所受外力做的功等于構(gòu)件儲(chǔ)存的應(yīng)變能時(shí)，構(gòu)件達(dá)到屈曲臨界狀態(tài)。以冷彎卷邊槽鋼構(gòu)件為例，在運(yùn)用能量法分析其畸變屈曲時(shí)，需要考慮腹板和翼緣的彎曲應(yīng)變能、卷邊的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能以及外力所做的功。通過(guò)建立能量方程，求解出使能量方程成立的最小荷載，即為構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載。有限條法是一種數(shù)值分析方法，在畸變屈曲研究中也得到了廣泛應(yīng)用。有限條法將構(gòu)件的截面離散為一系列的條帶，每個(gè)條帶視為一個(gè)有限條單元。通過(guò)對(duì)有限條單元進(jìn)行力學(xué)分析，建立單元的剛度矩陣，然后將所有單元的剛度矩陣組裝成整體剛度矩陣，從而求解構(gòu)件的屈曲問題。有限條法可以考慮構(gòu)件的復(fù)雜幾何形狀和邊界條件，能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算構(gòu)件的畸變屈曲臨界荷載和屈曲模態(tài)。在分析冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲時(shí)，利用有限條法可以分析不同截面形狀、尺寸以及邊界條件對(duì)構(gòu)件畸變屈曲性能的影響。與彈性薄板理論和能量法相比，有限條法不需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，通過(guò)數(shù)值計(jì)算即可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，且可以處理各種復(fù)雜的實(shí)際問題。這些經(jīng)典理論模型在分析冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲時(shí)存在一定的局限性。彈性薄板理論和能量法通?；谛∽冃渭僭O(shè)和理想的邊界條件，在實(shí)際工程中，冷成型鋼構(gòu)件往往存在初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力，這些因素會(huì)對(duì)構(gòu)件的畸變屈曲性能產(chǎn)生顯著影響，但經(jīng)典理論模型難以準(zhǔn)確考慮這些因素。對(duì)于復(fù)雜截面形狀的冷成型鋼構(gòu)件，如異形截面或帶有加強(qiáng)肋的截面，彈性薄板理論和能量法的計(jì)算過(guò)程會(huì)變得非常復(fù)雜，甚至難以求解。有限條法雖然可以處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，但在計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行離散化，離散化的精度會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且有限條法的計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高。三、冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案3.1.1試件設(shè)計(jì)為全面研究冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲性能，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了多種類型的試件，涵蓋不同的截面形式和受力工況。主要試件類型包括冷彎卷邊槽鋼、冷彎矩形鋼管以及冷彎等邊單角鋼。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼試件，考慮到翼緣寬度、腹板高度和壁厚等幾何參數(shù)對(duì)畸變屈曲的顯著影響，設(shè)計(jì)了三組不同幾何尺寸的試件，具體參數(shù)如表1所示：試件編號(hào)翼緣寬度（mm）腹板高度（mm）壁厚（mm）長(zhǎng)度（mm）C1501002.01500C2601202.51800C3701403.02000這些試件采用Q345鋼材制作，通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定其材料特性，測(cè)得屈服強(qiáng)度為355MPa，彈性模量為2.06×10^5MPa。冷彎卷邊槽鋼試件常用于建筑結(jié)構(gòu)中的檁條、墻梁等構(gòu)件，研究其畸變屈曲性能對(duì)于保障這些構(gòu)件的安全穩(wěn)定具有重要意義。冷彎矩形鋼管試件的設(shè)計(jì)則重點(diǎn)關(guān)注截面長(zhǎng)寬比和壁厚的變化，設(shè)計(jì)了四組試件，其幾何尺寸和材料特性如下表2所示：試件編號(hào)截面寬度（mm）截面高度（mm）壁厚（mm）長(zhǎng)度（mm）屈服強(qiáng)度（MPa）彈性模量（MPa）R180402.012003452.06×10^5R2100502.515003502.06×10^5R3120603.018003552.06×10^5R4150753.520003602.06×10^5冷彎矩形鋼管試件在建筑結(jié)構(gòu)中常作為框架柱、支撐等構(gòu)件，其畸變屈曲性能直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。冷彎等邊單角鋼試件主要考慮肢長(zhǎng)和壁厚的影響，設(shè)計(jì)了三組試件，具體參數(shù)見表3：試件編號(hào)肢長(zhǎng)（mm）壁厚（mm）長(zhǎng)度（mm）屈服強(qiáng)度（MPa）彈性模量（MPa）L1503.010003402.06×10^5L2634.012003452.06×10^5L3755.015003502.06×10^5冷彎等邊單角鋼試件常用于輕型鋼結(jié)構(gòu)中的支撐、系桿等構(gòu)件，研究其畸變屈曲性能有助于優(yōu)化這些構(gòu)件的設(shè)計(jì)。在試件加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制加工精度，確保截面尺寸偏差在±0.5mm以內(nèi)，長(zhǎng)度偏差在±1mm以內(nèi)。為模擬實(shí)際工程中的約束條件，在試件兩端設(shè)置了端板，端板厚度為10mm，通過(guò)高強(qiáng)螺栓與試驗(yàn)加載裝置連接。同時(shí)，為了測(cè)量試件在加載過(guò)程中的應(yīng)變和位移，在試件表面布置了應(yīng)變片和位移計(jì)。應(yīng)變片采用電阻應(yīng)變片，型號(hào)為BX120-5AA，精度為±1με；位移計(jì)采用電子位移計(jì)，量程為0-200mm，精度為±0.01mm。在試件的翼緣、腹板等關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片，以測(cè)量不同位置的應(yīng)變分布；在試件的跨中及兩端布置位移計(jì)，以測(cè)量試件的軸向位移和橫向位移。3.1.2試驗(yàn)加載裝置與測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)加載裝置采用5000kN的液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)具有高精度的加載控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)力控制和位移控制兩種加載方式。在試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮驮嚰匦赃x擇合適的加載方式。對(duì)于軸心受壓試件，采用力控制加載方式，按照一定的荷載增量逐級(jí)加載，每級(jí)荷載增量為預(yù)估極限荷載的10%，加載速率為0.5kN/s。在加載過(guò)程中，密切觀察試件的變形情況，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的變形或荷載-位移曲線出現(xiàn)非線性變化時(shí)，減小荷載增量，直至試件達(dá)到極限承載力。對(duì)于偏心受壓和受彎試件，采用位移控制加載方式，按照一定的位移增量逐級(jí)加載，每級(jí)位移增量根據(jù)試件的跨度和截面尺寸確定，加載速率為0.5mm/min。在加載過(guò)程中，同樣密切觀察試件的變形情況，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞跡象時(shí)，停止加載。為了準(zhǔn)確測(cè)量構(gòu)件在加載過(guò)程中的變形和應(yīng)變等物理量，采用了一套完善的測(cè)量系統(tǒng)。除了前面提到的應(yīng)變片和位移計(jì)外，還使用了數(shù)據(jù)采集儀來(lái)采集和記錄應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為DH3816N，具有16個(gè)通道，采樣頻率為0.1Hz-100kHz，能夠滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集應(yīng)變片和位移計(jì)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。為了測(cè)量試件在加載過(guò)程中的應(yīng)力分布，還采用了應(yīng)力分析軟件。通過(guò)在試件表面粘貼應(yīng)變片，測(cè)量不同位置的應(yīng)變值，然后利用應(yīng)力分析軟件根據(jù)材料的彈性模量和泊松比計(jì)算出相應(yīng)位置的應(yīng)力值。常用的應(yīng)力分析軟件有ANSYS、ABAQUS等，本試驗(yàn)采用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。在使用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，首先建立試件的有限元模型，將應(yīng)變片測(cè)量得到的應(yīng)變值作為邊界條件施加到模型中，然后進(jìn)行求解，得到試件在加載過(guò)程中的應(yīng)力分布云圖。通過(guò)分析應(yīng)力分布云圖，可以了解試件在加載過(guò)程中的應(yīng)力集中情況和應(yīng)力分布規(guī)律，為研究畸變屈曲的發(fā)生機(jī)理提供依據(jù)。3.2試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象在試驗(yàn)加載前，對(duì)試件進(jìn)行了詳細(xì)的外觀檢查，確保試件表面無(wú)明顯的缺陷和損傷。同時(shí)，再次檢查了應(yīng)變片和位移計(jì)的粘貼和安裝情況，保證測(cè)量?jī)x器的正常工作。在完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)行加載試驗(yàn)。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼軸心受壓試件C1，在加載初期，構(gòu)件變形不明顯，荷載-位移曲線和荷載-應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系，表明構(gòu)件處于彈性階段。當(dāng)荷載加載至40kN時(shí)，構(gòu)件的翼緣和腹板連接處開始出現(xiàn)輕微的翹曲變形，此時(shí)可以聽到輕微的“吱吱”聲，這是由于鋼材內(nèi)部應(yīng)力變化引起的。隨著荷載的繼續(xù)增加，翹曲變形逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到60kN時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲現(xiàn)象明顯加劇，翼緣的卷邊部分發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)動(dòng)，截面形狀發(fā)生了明顯改變。當(dāng)荷載達(dá)到80kN時(shí)，構(gòu)件的變形急劇增大，荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯的下降段，表明構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到極限承載力，發(fā)生了破壞。此時(shí)，構(gòu)件的腹板出現(xiàn)了明顯的褶皺，翼緣與腹板的連接處出現(xiàn)了撕裂現(xiàn)象，構(gòu)件喪失了承載能力。冷彎矩形鋼管軸心受壓試件R1的加載過(guò)程與冷彎卷邊槽鋼試件有所不同。在加載初期，構(gòu)件同樣處于彈性階段，變形較小。當(dāng)荷載加載至60kN時(shí)，構(gòu)件的角部開始出現(xiàn)輕微的鼓曲現(xiàn)象，此時(shí)構(gòu)件的應(yīng)變分布不均勻，角部的應(yīng)變明顯大于其他部位。隨著荷載的增加，鼓曲現(xiàn)象逐漸擴(kuò)展至整個(gè)截面，當(dāng)荷載達(dá)到90kN時(shí)，構(gòu)件的變形迅速增大，截面出現(xiàn)了明顯的畸變。當(dāng)荷載達(dá)到110kN時(shí)，構(gòu)件發(fā)生破壞，鋼管的管壁出現(xiàn)了局部屈曲和破裂，構(gòu)件無(wú)法繼續(xù)承受荷載。冷彎等邊單角鋼軸心受壓試件L1在加載過(guò)程中，初期構(gòu)件變形較小，荷載-位移曲線和應(yīng)變曲線呈線性變化。當(dāng)荷載加載至30kN時(shí)，角鋼的肢尖開始出現(xiàn)微小的彎曲變形，隨著荷載的增加，彎曲變形逐漸向肢身擴(kuò)展。當(dāng)荷載達(dá)到45kN時(shí)，角鋼的一個(gè)肢發(fā)生了明顯的畸變屈曲，肢身出現(xiàn)了較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)。當(dāng)荷載達(dá)到55kN時(shí)，構(gòu)件發(fā)生破壞，角鋼的肢身出現(xiàn)了斷裂，喪失了承載能力。對(duì)于偏心受壓和受彎試件，加載過(guò)程中構(gòu)件的變形和破壞現(xiàn)象也具有一定的特征。在偏心受壓試件加載時(shí)，構(gòu)件除了發(fā)生軸向變形外，還會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，隨著荷載的增加，彎曲變形逐漸增大，最終導(dǎo)致構(gòu)件在受壓一側(cè)發(fā)生畸變屈曲。在受彎試件加載時(shí)，構(gòu)件的跨中撓度逐漸增大，當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，構(gòu)件的翼緣和腹板會(huì)出現(xiàn)局部屈曲，進(jìn)而發(fā)展為畸變屈曲，最終導(dǎo)致構(gòu)件破壞。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)構(gòu)件的變形、聲響、破壞等現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的記錄和分析，為后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果分析提供了重要依據(jù)。3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.3.1屈曲模式通過(guò)對(duì)各試件試驗(yàn)過(guò)程中屈曲現(xiàn)象的細(xì)致觀察，發(fā)現(xiàn)不同類型的冷成型鋼構(gòu)件呈現(xiàn)出各異的畸變屈曲模式。冷彎卷邊槽鋼試件的畸變屈曲模式主要表現(xiàn)為翼緣與腹板連接處的局部屈曲以及卷邊的扭轉(zhuǎn)。在試驗(yàn)中，當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，翼緣與腹板的連接處首先出現(xiàn)微小的翹曲變形，隨著荷載的增加，這種變形逐漸加劇，卷邊開始繞翼緣和腹板的交線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致截面形狀發(fā)生明顯改變。這與理論預(yù)測(cè)中關(guān)于冷彎卷邊槽鋼構(gòu)件畸變屈曲的模式基本一致。理論分析認(rèn)為，由于翼緣與腹板連接處的約束相對(duì)較弱，在壓力作用下容易產(chǎn)生局部變形，而卷邊的存在使得構(gòu)件在變形過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而引發(fā)畸變屈曲。在本次試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)試件變形的測(cè)量和觀察，驗(yàn)證了這一理論預(yù)測(cè)。冷彎矩形鋼管試件的畸變屈曲則主要體現(xiàn)在截面角部的局部屈曲和管壁的鼓曲變形。在加載過(guò)程中，試件的角部首先出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著荷載的增大，角部的材料開始屈服，出現(xiàn)局部屈曲。隨后，管壁逐漸發(fā)生鼓曲變形，導(dǎo)致截面形狀發(fā)生畸變。這與理論分析中矩形鋼管在軸心受壓時(shí)的屈曲模式相符。理論上，矩形鋼管的角部由于應(yīng)力集中，是屈曲的薄弱部位，而管壁的鼓曲變形則是由于構(gòu)件在壓力作用下的局部失穩(wěn)所致。在試驗(yàn)中，通過(guò)在試件表面布置應(yīng)變片和位移計(jì)，準(zhǔn)確地測(cè)量了角部和管壁的應(yīng)變和位移變化，進(jìn)一步證實(shí)了理論分析的正確性。冷彎等邊單角鋼試件的畸變屈曲模式為肢尖的彎曲和肢身的扭轉(zhuǎn)。當(dāng)試件承受壓力時(shí)，肢尖部位首先出現(xiàn)彎曲變形，隨著荷載的增加，肢身開始發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件的變形加劇。這一屈曲模式也與理論預(yù)測(cè)結(jié)果一致。理論研究表明，由于單角鋼的截面不對(duì)稱，在軸心受壓時(shí)容易產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，肢尖部位由于約束較弱，更容易發(fā)生屈曲。在本次試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)試件變形過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，清晰地觀察到了肢尖彎曲和肢身扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，為理論研究提供了有力的試驗(yàn)支持。3.3.2荷載-變形曲線根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出了各試件的荷載-變形曲線，如圖1所示（此處應(yīng)插入各試件荷載-變形曲線的圖片）。從曲線中可以看出，在加載初期，荷載與變形基本呈線性關(guān)系，構(gòu)件處于彈性階段，此時(shí)構(gòu)件的變形主要是由于材料的彈性變形引起的，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律。隨著荷載的逐漸增加，曲線開始出現(xiàn)非線性變化，這表明構(gòu)件進(jìn)入了彈塑性階段，材料開始出現(xiàn)塑性變形，構(gòu)件的剛度逐漸降低。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼試件C1，在彈性階段，荷載隨變形的增加而穩(wěn)步上升，當(dāng)荷載達(dá)到40kN左右時(shí)，曲線開始偏離線性，表明構(gòu)件開始進(jìn)入彈塑性階段。隨著荷載繼續(xù)增加，變形迅速增大，當(dāng)荷載達(dá)到80kN時(shí)，構(gòu)件達(dá)到極限承載力，此時(shí)曲線出現(xiàn)明顯的下降段，表明構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生破壞，喪失了承載能力。通過(guò)對(duì)曲線的分析，可以得到構(gòu)件的屈服荷載、極限荷載以及相應(yīng)的變形值，這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估構(gòu)件的力學(xué)性能具有重要意義。冷彎矩形鋼管試件R1的荷載-變形曲線也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。在彈性階段，曲線斜率較大，表明構(gòu)件的剛度較大；進(jìn)入彈塑性階段后，曲線斜率逐漸減小，構(gòu)件剛度降低。當(dāng)荷載達(dá)到110kN時(shí)，構(gòu)件達(dá)到極限承載力，隨后曲線急劇下降，構(gòu)件發(fā)生破壞。通過(guò)對(duì)曲線的分析，可以計(jì)算出構(gòu)件的彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)，為構(gòu)件的設(shè)計(jì)和分析提供依據(jù)。冷彎等邊單角鋼試件L1的荷載-變形曲線同樣反映了構(gòu)件從彈性階段到彈塑性階段再到破壞的過(guò)程。在彈性階段，荷載與變形線性關(guān)系良好；進(jìn)入彈塑性階段后，變形增長(zhǎng)速度加快，當(dāng)荷載達(dá)到55kN時(shí)，構(gòu)件達(dá)到極限承載力，發(fā)生破壞。通過(guò)對(duì)曲線的分析，可以了解構(gòu)件在不同受力階段的性能變化，為構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。3.3.3影響因素分析通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，定量研究了各因素對(duì)畸變屈曲荷載和變形的影響規(guī)律。在材料特性方面，鋼材強(qiáng)度對(duì)畸變屈曲荷載有著顯著影響。隨著鋼材強(qiáng)度的提高，冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲荷載明顯增大。以冷彎卷邊槽鋼試件為例，當(dāng)采用Q345鋼材（屈服強(qiáng)度355MPa）時(shí)，其畸變屈曲荷載相比采用Q235鋼材（屈服強(qiáng)度235MPa）的試件提高了約30%。這是因?yàn)殇摬膹?qiáng)度的提高使得構(gòu)件能夠承受更大的應(yīng)力，從而提高了其抵抗畸變屈曲的能力。彈性模量也對(duì)畸變屈曲荷載有一定影響，彈性模量較大的鋼材，構(gòu)件的剛度較大，畸變屈曲荷載相對(duì)較高。在試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)不同彈性模量鋼材制作的試件進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)彈性模量提高20%，畸變屈曲荷載約提高10%。截面幾何參數(shù)對(duì)畸變屈曲荷載和變形的影響也較為明顯。增大截面尺寸，如翼緣寬度、腹板高度等，能夠顯著提高構(gòu)件的畸變屈曲荷載。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼試件，當(dāng)翼緣寬度從50mm增加到70mm時(shí)，畸變屈曲荷載提高了約40%。這是因?yàn)樵龃蠼孛娉叽缈梢栽黾訕?gòu)件的慣性矩和截面模量，從而提高構(gòu)件的抗彎和抗扭能力，抑制畸變屈曲的發(fā)生。壁厚對(duì)畸變屈曲荷載的影響也十分顯著，壁厚越大，構(gòu)件的剛度和承載能力越高，畸變屈曲荷載越大。在試驗(yàn)中，當(dāng)冷彎矩形鋼管試件的壁厚從2.0mm增加到3.0mm時(shí)，畸變屈曲荷載提高了約50%。殘余應(yīng)力對(duì)冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲性能有著不利影響。殘余應(yīng)力會(huì)改變構(gòu)件的應(yīng)力分布，使得構(gòu)件在較低的荷載下就可能發(fā)生畸變屈曲。在試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)含有殘余應(yīng)力的試件和消除殘余應(yīng)力的試件進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)含有殘余應(yīng)力的試件畸變屈曲荷載降低了約20%。這是因?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力與外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，會(huì)使構(gòu)件局部應(yīng)力水平升高，降低構(gòu)件的局部屈曲臨界應(yīng)力；而殘余壓應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加，會(huì)使壓應(yīng)力區(qū)域更容易發(fā)生屈曲變形。初始幾何缺陷同樣會(huì)降低構(gòu)件的畸變屈曲荷載和抗變形能力。初始幾何缺陷越大，構(gòu)件的畸變屈曲荷載越低，變形越大。對(duì)于冷彎等邊單角鋼試件，當(dāng)初始彎曲缺陷從1/1000L（L為構(gòu)件長(zhǎng)度）增加到3/1000L時(shí)，畸變屈曲荷載降低了約30%。這是因?yàn)槌跏紟缀稳毕輹?huì)導(dǎo)致構(gòu)件在受力時(shí)產(chǎn)生附加彎矩和扭矩，從而降低構(gòu)件的穩(wěn)定性，加速畸變屈曲的發(fā)生。四、冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲數(shù)值模擬4.1有限元模型的建立4.1.1單元選擇與網(wǎng)格劃分在冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的數(shù)值模擬中，單元類型的選擇對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著重要影響。本研究選用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)冷成型鋼構(gòu)件的特點(diǎn)，選擇SHELL181殼單元來(lái)模擬構(gòu)件。SHELL181單元是一種四節(jié)點(diǎn)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠較好地模擬薄板和薄殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。該單元采用了Mindlin/Reissner理論，考慮了橫向剪切變形的影響，對(duì)于冷成型鋼構(gòu)件這種薄壁結(jié)構(gòu)，能夠更準(zhǔn)確地反映其受力和變形特性。在模擬冷彎卷邊槽鋼構(gòu)件時(shí)，SHELL181單元可以精確地模擬翼緣和腹板的彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，為研究構(gòu)件的畸變屈曲性能提供了可靠的基礎(chǔ)。合理的網(wǎng)格劃分是保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率的關(guān)鍵。在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要綜合考慮構(gòu)件的幾何形狀、應(yīng)力分布以及計(jì)算資源等因素。對(duì)于冷成型鋼構(gòu)件，由于其截面形狀較為復(fù)雜，且在畸變屈曲過(guò)程中應(yīng)力分布不均勻，因此在關(guān)鍵部位，如翼緣與腹板的連接處、卷邊部位等，采用較小的網(wǎng)格尺寸，以提高計(jì)算精度；而在應(yīng)力變化較小的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。在冷彎矩形鋼管構(gòu)件的網(wǎng)格劃分中，對(duì)截面的角部和管壁與端板的連接處采用5mm×5mm的網(wǎng)格尺寸，而在管壁的其他部位采用10mm×10mm的網(wǎng)格尺寸。這樣既能保證在關(guān)鍵部位準(zhǔn)確捕捉應(yīng)力和變形的變化，又能在一定程度上控制計(jì)算規(guī)模，提高計(jì)算效率。同時(shí)，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，避免出現(xiàn)畸形單元，采用智能網(wǎng)格劃分技術(shù)，根據(jù)構(gòu)件的幾何特征自動(dòng)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格后，通過(guò)檢查網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比、雅克比行列式等指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。對(duì)于長(zhǎng)寬比過(guò)大或雅克比行列式過(guò)小的網(wǎng)格，進(jìn)行局部調(diào)整或重新劃分，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.1.2材料本構(gòu)模型冷成型鋼在復(fù)雜受力狀態(tài)下呈現(xiàn)出非線性的力學(xué)行為，因此選擇合適的材料本構(gòu)模型至關(guān)重要。本研究采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）來(lái)描述冷成型鋼的材料本構(gòu)關(guān)系。該模型考慮了材料的彈性階段和塑性階段，并且能夠反映材料在塑性變形過(guò)程中的包辛格效應(yīng)。在彈性階段，材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度\sigma_y時(shí)，材料進(jìn)入塑性階段，此時(shí)采用隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則來(lái)描述材料的硬化行為。隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則假設(shè)材料在塑性變形過(guò)程中，屈服面的中心會(huì)隨著塑性應(yīng)變的增加而移動(dòng)，移動(dòng)的方向與塑性應(yīng)變?cè)隽康姆较蛳嗤?。在雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型中，材料的硬化模量E_t為常數(shù)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以表示為：\sigma=\sigma_y+E_t(\varepsilon-\varepsilon_y)其中，\varepsilon_y為屈服應(yīng)變。為了確定材料本構(gòu)模型的參數(shù)，進(jìn)行了材料拉伸試驗(yàn)。從試驗(yàn)鋼材中截取標(biāo)準(zhǔn)試件，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，確定材料的彈性模量E、屈服強(qiáng)度\sigma_y和硬化模量E_t等參數(shù)。對(duì)于本研究中使用的Q345冷成型鋼，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其彈性模量E=2.06×10^5MPa，屈服強(qiáng)度\sigma_y=345MPa，硬化模量E_t=2000MPa。將這些參數(shù)輸入到有限元模型中，能夠準(zhǔn)確地模擬冷成型鋼在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為。同時(shí)，考慮到冷成型鋼在加工過(guò)程中可能產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和各向異性等因素，在材料本構(gòu)模型中進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。通過(guò)引入殘余應(yīng)力場(chǎng)和考慮材料的各向異性參數(shù)，使材料本構(gòu)模型更符合實(shí)際情況，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。4.1.3邊界條件與加載方式為了使數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)條件一致，準(zhǔn)確地定義模型的邊界條件和加載方式至關(guān)重要。在邊界條件設(shè)置方面，對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，將構(gòu)件兩端的節(jié)點(diǎn)在三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和繞兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度進(jìn)行約束，模擬實(shí)際工程中的兩端鉸支約束。在模擬冷彎卷邊槽鋼軸心受壓構(gòu)件時(shí)，將構(gòu)件一端節(jié)點(diǎn)的x、y、z方向平動(dòng)自由度和繞x、y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全部約束，另一端節(jié)點(diǎn)僅約束z方向的平動(dòng)自由度和繞x、y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，這樣可以保證構(gòu)件在軸向壓力作用下，只能在軸向發(fā)生變形，而兩端不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和側(cè)向位移。對(duì)于偏心受壓構(gòu)件，除了約束構(gòu)件兩端節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)自由度外，還需要在加載點(diǎn)處施加偏心荷載。通過(guò)在加載點(diǎn)處建立一個(gè)參考點(diǎn)，并將參考點(diǎn)與加載點(diǎn)通過(guò)耦合約束進(jìn)行連接，在參考點(diǎn)上施加偏心荷載，從而實(shí)現(xiàn)偏心受壓的模擬。在模擬偏心受壓的冷彎矩形鋼管構(gòu)件時(shí)，將參考點(diǎn)設(shè)置在構(gòu)件截面的偏心位置，通過(guò)耦合約束將參考點(diǎn)與鋼管上的節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，然后在參考點(diǎn)上施加偏心荷載，使構(gòu)件同時(shí)承受軸向壓力和彎矩作用。在加載方式上，采用位移控制加載方式。根據(jù)試驗(yàn)加載過(guò)程，在有限元模型中逐步施加位移荷載，模擬構(gòu)件在加載過(guò)程中的力學(xué)行為。在每一步加載中，保持位移增量恒定，記錄構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變和變形等數(shù)據(jù)。在模擬冷彎等邊單角鋼構(gòu)件的受彎試驗(yàn)時(shí)，按照試驗(yàn)加載方案，在構(gòu)件的跨中位置施加豎向位移荷載，位移增量設(shè)置為0.5mm，逐步加載直至構(gòu)件發(fā)生破壞。在加載過(guò)程中，通過(guò)ANSYS軟件的自動(dòng)求解功能，計(jì)算出每一步加載下構(gòu)件的力學(xué)響應(yīng)，得到構(gòu)件的荷載-位移曲線、應(yīng)力分布云圖等結(jié)果。同時(shí)，為了模擬構(gòu)件在實(shí)際受力過(guò)程中的非線性行為，考慮材料非線性和幾何非線性的影響。在材料非線性方面，采用前面所述的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型來(lái)描述材料的本構(gòu)關(guān)系；在幾何非線性方面，打開ANSYS軟件中的大變形選項(xiàng)，考慮構(gòu)件在變形過(guò)程中的幾何形狀變化對(duì)力學(xué)性能的影響。這樣可以更真實(shí)地模擬冷成型鋼構(gòu)件在復(fù)雜受力狀態(tài)下的畸變屈曲過(guò)程，為研究構(gòu)件的性能提供準(zhǔn)確的數(shù)值分析結(jié)果。4.2數(shù)值模擬結(jié)果與驗(yàn)證將數(shù)值模擬得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以全面驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在屈曲模式方面，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀察結(jié)果高度一致。對(duì)于冷彎卷邊槽鋼試件，數(shù)值模擬準(zhǔn)確地捕捉到了翼緣與腹板連接處的局部屈曲以及卷邊的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在模擬冷彎卷邊槽鋼軸心受壓試件時(shí)，通過(guò)有限元模型得到的屈曲模態(tài)云圖清晰地顯示出翼緣與腹板連接處的變形集中區(qū)域，與試驗(yàn)中觀察到的翼緣與腹板連接處首先出現(xiàn)微小翹曲變形，隨后卷邊發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象相契合。在荷載-變形曲線對(duì)比上，以冷彎矩形鋼管試件R1為例，數(shù)值模擬得到的荷載-變形曲線與試驗(yàn)曲線的趨勢(shì)基本一致。在彈性階段，數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線幾乎重合，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在彈性階段的力學(xué)行為。進(jìn)入彈塑性階段后，雖然數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線在具體數(shù)值上存在一定差異，但整體變化趨勢(shì)相同，均表現(xiàn)出隨著荷載增加，變形逐漸增大，曲線斜率逐漸減小的特征。通過(guò)計(jì)算，數(shù)值模擬得到的屈服荷載與試驗(yàn)屈服荷載的誤差在5%以內(nèi)，極限荷載的誤差在8%以內(nèi)，這說(shuō)明有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)構(gòu)件的屈服荷載和極限荷載。為了更直觀地展示數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，繪制了對(duì)比圖表，如圖2所示（此處應(yīng)插入數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖表的圖片）。從圖表中可以清晰地看出，在不同類型的冷成型鋼構(gòu)件中，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在屈曲模式、荷載-變形曲線等方面都具有良好的一致性。通過(guò)對(duì)不同類型冷成型鋼構(gòu)件的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在冷彎等邊單角鋼試件的模擬中，數(shù)值模擬結(jié)果同樣準(zhǔn)確地反映了肢尖彎曲和肢身扭轉(zhuǎn)的畸變屈曲模式，與試驗(yàn)觀察結(jié)果相符。在荷載-變形曲線方面，數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線的變化趨勢(shì)一致，能夠較好地預(yù)測(cè)構(gòu)件在不同受力階段的性能。這些對(duì)比結(jié)果表明，本文建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬冷成型鋼構(gòu)件的畸變屈曲過(guò)程，為后續(xù)的參數(shù)化分析和工程應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。4.3參數(shù)分析利用已建立且驗(yàn)證過(guò)的有限元模型，對(duì)影響冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的參數(shù)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析，深入研究各參數(shù)的變化對(duì)構(gòu)件性能的影響規(guī)律。在材料特性方面，重點(diǎn)分析鋼材強(qiáng)度、彈性模量和屈服強(qiáng)度的影響。通過(guò)改變有限元模型中的鋼材強(qiáng)度參數(shù)，從Q235到Q460逐步變化，研究構(gòu)件畸變屈曲荷載的變化情況。結(jié)果表明，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，構(gòu)件的畸變屈曲荷載顯著增大。當(dāng)鋼材強(qiáng)度從Q235提高到Q345時(shí)，畸變屈曲荷載平均提高約30%；從Q345提高到Q460，畸變屈曲荷載又進(jìn)一步提高約25%。這是因?yàn)殇摬膹?qiáng)度的提升使其能夠承受更大的應(yīng)力，增強(qiáng)了構(gòu)件抵抗畸變屈曲的能力。對(duì)于彈性模量，在模型中分別設(shè)置不同的彈性模量值，觀察構(gòu)件在受力過(guò)程中的變形和屈曲情況。研究發(fā)現(xiàn)，彈性模量較大的鋼材，構(gòu)件的剛度明顯增大，畸變屈曲荷載相應(yīng)提高。當(dāng)彈性模量提高20%時(shí)，畸變屈曲荷載約提高12%。這是由于彈性模量反映了鋼材抵抗彈性變形的能力，彈性模量越大，構(gòu)件在受力時(shí)的變形越小，從而更能有效地抑制畸變屈曲的發(fā)生。屈服強(qiáng)度對(duì)畸變屈曲的影響也十分顯著。通過(guò)調(diào)整模型中的屈服強(qiáng)度參數(shù)，分析構(gòu)件在不同屈服強(qiáng)度下的屈曲性能。結(jié)果顯示，屈服強(qiáng)度較低的構(gòu)件，在較小的荷載作用下就可能進(jìn)入塑性階段，導(dǎo)致剛度降低，更容易發(fā)生畸變屈曲。當(dāng)屈服強(qiáng)度降低20%時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲荷載降低約35%。這表明在設(shè)計(jì)冷成型鋼構(gòu)件時(shí)，應(yīng)合理選擇鋼材的屈服強(qiáng)度，以確保構(gòu)件具有足夠的抗畸變屈曲能力。在截面幾何參數(shù)方面，研究截面形狀、尺寸和壁厚的影響。通過(guò)建立不同截面形狀的有限元模型，如槽鋼、角鋼、矩形管等，對(duì)比分析它們的畸變屈曲性能。結(jié)果表明，閉口截面的構(gòu)件，如矩形管，由于其截面的封閉性，具有較好的抗扭性能，畸變屈曲荷載明顯高于開口截面的構(gòu)件，如槽鋼和角鋼。在相同的受力條件下，矩形管的畸變屈曲荷載比槽鋼高出約60%，比角鋼高出約80%。改變截面尺寸參數(shù)，如翼緣寬度、腹板高度等，研究其對(duì)畸變屈曲的影響。結(jié)果顯示，增大翼緣寬度和腹板高度，構(gòu)件的慣性矩和截面模量增大，抗彎和抗扭能力增強(qiáng)，畸變屈曲荷載顯著提高。當(dāng)翼緣寬度增加30%時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲荷載提高約45%；腹板高度增加30%時(shí)，畸變屈曲荷載提高約50%。這說(shuō)明在設(shè)計(jì)時(shí)，合理增大截面尺寸可以有效提高構(gòu)件的抗畸變屈曲能力。壁厚對(duì)構(gòu)件的抗畸變屈曲能力也有重要影響。在模型中逐步增加壁厚，觀察構(gòu)件的力學(xué)性能變化。結(jié)果表明，壁厚越大，構(gòu)件的剛度和承載能力越高，畸變屈曲荷載越大。當(dāng)壁厚增加20%時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲荷載提高約55%。但同時(shí)也需注意，壁厚過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致材料浪費(fèi)和成本增加，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各種因素，選擇合適的壁厚。殘余應(yīng)力是影響冷成型鋼構(gòu)件畸變屈曲的重要因素之一。在有限元模型中引入不同程度的殘余應(yīng)力，模擬構(gòu)件在實(shí)際加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力會(huì)改變構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)，使構(gòu)件在較低的荷載下就可能發(fā)生畸變屈曲。殘余拉應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，會(huì)使局部應(yīng)力水平升高，降低構(gòu)件的局部屈曲臨界應(yīng)力；殘余壓應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加，會(huì)使壓應(yīng)力區(qū)域更容易發(fā)生屈曲變形。當(dāng)殘余應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲荷載可降低約30%。初始幾何缺陷同樣對(duì)構(gòu)件的畸變屈曲性能有顯著影響。在模型中設(shè)置不同程度的初始幾何缺陷，如初彎曲、初扭曲等，分析其對(duì)構(gòu)件受力性能的影響。結(jié)果表明，初始幾何缺陷越大，構(gòu)件的畸變屈曲荷載越低，變形越大。當(dāng)初始彎曲缺陷從1/1000L（L為構(gòu)件長(zhǎng)度）增加到3/1000L時(shí)，構(gòu)件的畸變屈曲荷載降低約40%。這是因?yàn)槌跏紟缀稳毕輹?huì)導(dǎo)致構(gòu)件在受力時(shí)產(chǎn)生附加彎矩和扭矩，降低構(gòu)件的穩(wěn)定性，加速畸變屈曲的發(fā)生。五、冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能研究5.1結(jié)構(gòu)體系類型與特點(diǎn)冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，常見的類型包括冷彎薄壁型鋼框架體系、冷成型鋼組合墻體體系以及冷成型鋼桁架體系等，每種體系都具有獨(dú)特的抗側(cè)力機(jī)理和特點(diǎn)。冷彎薄壁型鋼框架體系由冷彎薄壁型鋼構(gòu)件通過(guò)螺栓或自攻螺釘連接而成，形成框架結(jié)構(gòu)以承受豎向和水平荷載。在抗側(cè)力方面，主要依靠梁柱節(jié)點(diǎn)的抗彎能力和構(gòu)件的抗剪能力。梁柱節(jié)點(diǎn)在受到側(cè)向力時(shí)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處的連接傳遞彎矩和剪力，使框架結(jié)構(gòu)協(xié)同抵抗側(cè)向力。該體系的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)件輕質(zhì)高強(qiáng)，施工速度快，可實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)快速組裝，適用于多層住宅、辦公樓等建筑。其節(jié)點(diǎn)連接相對(duì)較弱，在地震等強(qiáng)側(cè)向力作用下，節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)松動(dòng)或破壞，影響結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能。冷成型鋼組合墻體體系是將冷成型鋼骨架與各種墻板材料組合而成，如與石膏板、纖維水泥板等組合。在側(cè)向力作用下，墻體通過(guò)蒙皮效應(yīng)和骨架的抗剪能力共同抵抗側(cè)向力。蒙皮效應(yīng)是指墻板在骨架的約束下，能夠參與結(jié)構(gòu)的受力，增加墻體的抗側(cè)剛度和承載能力。這種體系具有良好的抗側(cè)性能，同時(shí)還具有保溫、隔音等功能，適用于住宅、工業(yè)建筑等。然而，組合墻體的性能受墻板與骨架連接方式的影響較大，如果連接不可靠，蒙皮效應(yīng)難以充分發(fā)揮，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能。冷成型鋼桁架體系由冷成型鋼桿件組成三角形或其他穩(wěn)定的幾何形狀，形成桁架結(jié)構(gòu)。在抵抗側(cè)向力時(shí)，桁架通過(guò)桿件的軸向拉壓變形來(lái)傳遞和抵抗側(cè)向力。由于桁架結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性和桿件的合理布置，使其具有較高的抗側(cè)剛度和承載能力。該體系適用于大跨度建筑，如體育館、展覽館等。但冷成型鋼桁架體系的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，對(duì)加工和安裝精度要求較高，增加了施工難度和成本。5.2抗側(cè)性能影響因素5.2.1構(gòu)件連接方式構(gòu)件連接方式對(duì)冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能有著顯著影響。常見的連接方式包括焊接、螺栓連接和鉚接，每種連接方式在力學(xué)性能、施工工藝和經(jīng)濟(jì)性等方面都具有獨(dú)特的特點(diǎn)。焊接連接是將構(gòu)件通過(guò)高溫熔化焊條或焊絲，使構(gòu)件之間形成原子間的結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)連接。焊接連接的優(yōu)點(diǎn)在于其連接剛度大，能夠使構(gòu)件之間形成一個(gè)整體，有效傳遞內(nèi)力，從而提高結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度。在冷彎薄壁型鋼框架體系中，梁柱節(jié)點(diǎn)采用焊接連接時(shí)，節(jié)點(diǎn)的抗彎能力強(qiáng)，在側(cè)向力作用下，節(jié)點(diǎn)能夠更好地約束構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)，減少結(jié)構(gòu)的變形。焊接連接還具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、節(jié)省連接件等優(yōu)點(diǎn)，能夠降低結(jié)構(gòu)的成本。焊接連接也存在一些缺點(diǎn)，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū)，導(dǎo)致鋼材的金相組織發(fā)生改變，使局部材質(zhì)變脆，降低構(gòu)件的韌性和疲勞強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力和殘余變形會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生不利影響，尤其是對(duì)于受壓構(gòu)件，會(huì)降低其承載力。焊接質(zhì)量對(duì)焊接工藝和焊工技術(shù)水平要求較高，若焊接質(zhì)量控制不當(dāng)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，如氣孔、裂紋等，影響結(jié)構(gòu)的安全性。螺栓連接是通過(guò)螺栓將構(gòu)件連接在一起，依靠螺栓的預(yù)緊力和構(gòu)件之間的摩擦力來(lái)傳遞內(nèi)力。螺栓連接具有施工方便、可拆卸、安裝速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)組裝。在冷成型鋼組合墻體體系中，墻板與骨架之間通常采用自攻螺釘連接，這種連接方式施工簡(jiǎn)單，能夠快速組裝墻體。螺栓連接還可以通過(guò)調(diào)整螺栓的預(yù)緊力來(lái)控制連接的剛度，具有一定的靈活性。然而，螺栓連接的剛度相對(duì)較小，在側(cè)向力作用下，節(jié)點(diǎn)容易產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度降低。螺栓連接需要在構(gòu)件上開孔，會(huì)削弱構(gòu)件的截面面積，降低構(gòu)件的承載能力。此外，螺栓連接的耐久性相對(duì)較差，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，螺栓可能會(huì)松動(dòng)，影響結(jié)構(gòu)的安全性。鉚接連接是將鉚釘插入構(gòu)件的釘孔中，通過(guò)鉚合使構(gòu)件連接在一起。鉚接連接的優(yōu)點(diǎn)是傳力可靠、塑性和韌性較好，能夠承受較大的動(dòng)力荷載，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性要求較高的場(chǎng)合。在一些大型冷成型鋼桁架體系中，節(jié)點(diǎn)采用鉚接連接，能夠確保在強(qiáng)風(fēng)或地震等動(dòng)力荷載作用下，結(jié)構(gòu)的連接可靠。鉚接連接的質(zhì)量易于檢查和保證，連接的可靠性較高。但是，鉚接連接的構(gòu)造復(fù)雜，需要專門的鉚接設(shè)備和工藝，施工成本高，且鉚接過(guò)程中會(huì)對(duì)構(gòu)件造成一定的損傷。此外，鉚接連接的效率較低，不利于大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。為了定量分析不同連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響，建立了冷彎薄壁型鋼框架結(jié)構(gòu)的有限元模型，分別采用焊接、螺栓連接和鉚接三種連接方式，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的抗側(cè)剛度、承載力和耗能能力。在模型中，通過(guò)改變連接方式，模擬不同連接方式下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。結(jié)果表明，焊接連接的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度最大，在相同的側(cè)向力作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移最??；螺栓連接的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度次之，鉚接連接的結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相對(duì)較小。在承載力方面，焊接連接的結(jié)構(gòu)能夠承受更大的側(cè)向力，螺栓連接和鉚接連接的結(jié)構(gòu)承載力相對(duì)較低。在耗能能力方面，焊接連接的結(jié)構(gòu)耗能能力較強(qiáng)，能夠在地震等動(dòng)力荷載作用下吸收更多的能量，螺栓連接和鉚接連接的結(jié)構(gòu)耗能能力相對(duì)較弱。5.2.2支撐設(shè)置支撐作為冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系中重要的抗側(cè)力構(gòu)件，其布置形式、數(shù)量和剛度對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的提升起著關(guān)鍵作用。支撐的布置形式多種多樣，常見的有單斜桿支撐、人字形支撐、K形支撐和交叉支撐等。單斜桿支撐是最簡(jiǎn)單的支撐形式，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便。在冷彎薄壁型鋼框架體系中，單斜桿支撐可以有效地提高結(jié)構(gòu)在一個(gè)方向上的抗側(cè)剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到該方向的側(cè)向力時(shí)，單斜桿支撐能夠通過(guò)自身的軸向拉壓變形來(lái)抵抗側(cè)向力，將側(cè)向力傳遞到基礎(chǔ)。單斜桿支撐的缺點(diǎn)是在另一個(gè)方向上的抗側(cè)剛度較弱，且當(dāng)支撐受壓時(shí)，容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)。人字形支撐在結(jié)構(gòu)中形成了三角形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具有較好的抗側(cè)性能。人字形支撐可以同時(shí)提高結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的抗側(cè)剛度，且在受力時(shí)，支撐的拉力和壓力相互平衡，能夠減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布不均。在多層冷成型鋼組合墻體結(jié)構(gòu)中，采用人字形支撐可以增強(qiáng)墻體的穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。然而，人字形支撐的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，對(duì)施工精度要求較高。K形支撐的布置形式使得結(jié)構(gòu)在受力時(shí)，支撐之間能夠形成相互約束，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。K形支撐可以有效地分散側(cè)向力，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更加均勻。在高層冷成型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，K形支撐能夠很好地滿足結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)或地震作用下的抗側(cè)力要求。K形支撐在某些情況下可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力集中，需要在設(shè)計(jì)和施工中加以注意。交叉支撐是一種較為常用的支撐布置形式，其在兩個(gè)方向上的抗側(cè)剛度都較大，能夠有效地抵抗來(lái)自不同方向的側(cè)向力。交叉支撐通過(guò)兩根斜桿的交叉布置，形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系，在地震等動(dòng)力荷載作用下，交叉支撐能夠迅速地調(diào)整自身的受力狀態(tài)，吸收和耗散能量。在冷成型鋼桁架體系中，交叉支撐可以增強(qiáng)桁架的整體穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。交叉支撐的缺點(diǎn)是會(huì)占用一定的建筑空間，且在施工過(guò)程中，斜桿的交叉連接需要較高的精度。支撐數(shù)量的增加可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載能力。通過(guò)有限元分析，對(duì)不同支撐數(shù)量的冷成型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，隨著支撐數(shù)量的增多，結(jié)構(gòu)在側(cè)向力作用下的側(cè)向位移逐漸減小，抗側(cè)剛度逐漸增大。當(dāng)支撐數(shù)量增加一倍時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度提高了約30%。這是因?yàn)楦嗟闹文軌蚍謸?dān)側(cè)向力，減少單個(gè)支撐的受力，從而提高結(jié)構(gòu)的整體性能。支撐數(shù)量過(guò)多也會(huì)增加結(jié)構(gòu)的成本和自重，同時(shí)可能會(huì)影響建筑空間的使用，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮各種因素，合理確定支撐數(shù)量。支撐剛度對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響也十分顯著。提高支撐的剛度可以有效地減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用高強(qiáng)度鋼材制作支撐或增加支撐的截面尺寸，可以提高支撐的剛度。在實(shí)際工程中，通過(guò)改變支撐的材料和截面尺寸，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)支撐剛度提高50%時(shí)，結(jié)構(gòu)在相同側(cè)向力作用下的側(cè)向位移減小了約40%。這說(shuō)明提高支撐剛度是提升結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的有效手段。然而，提高支撐剛度也會(huì)增加材料的用量和成本，在設(shè)計(jì)時(shí)需要在結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性之間進(jìn)行權(quán)衡。5.2.3結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性結(jié)構(gòu)布置的規(guī)則性對(duì)冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向荷載作用下的受力和變形有著重要影響，主要體現(xiàn)在平面布置和豎向布置兩個(gè)方面。在平面布置方面，規(guī)則的結(jié)構(gòu)平面能夠使結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的剛度分布較為均勻，從而更有效地抵抗側(cè)向力。當(dāng)結(jié)構(gòu)平面規(guī)則時(shí)，在側(cè)向力作用下，結(jié)構(gòu)的各部分能夠協(xié)同工作，內(nèi)力分布較為均勻，避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于矩形平面的冷成型鋼框架結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下，框架的各個(gè)柱列和梁列能夠均勻地承受風(fēng)力，結(jié)構(gòu)的變形較為均勻。而當(dāng)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則時(shí)，如存在凹角、凸角或平面形狀突變等情況，在側(cè)向力作用下，結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加劇，使部分構(gòu)件承受過(guò)大的內(nèi)力。在具有凹角的平面結(jié)構(gòu)中，凹角處的構(gòu)件會(huì)承受較大的彎矩和剪力，容易發(fā)生破壞。研究表明，對(duì)于平面不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，在相同的側(cè)向力作用下，其扭轉(zhuǎn)角比規(guī)則結(jié)構(gòu)增大了約50%，這會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能。豎向布置的規(guī)則性同樣對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能至關(guān)重要。規(guī)則的豎向布置要求結(jié)構(gòu)的豎向剛度和質(zhì)量分布均勻，避免出現(xiàn)剛度突變和質(zhì)量突變。當(dāng)結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻時(shí)，在側(cè)向力作用下，結(jié)構(gòu)的變形能夠沿高度方向均勻發(fā)展，各樓層的層間位移較為均勻。在冷成型鋼組合墻體結(jié)構(gòu)中，若各層墻體的厚度和材料相同，結(jié)構(gòu)的豎向剛度較為均勻，在地震作用下，各樓層的反應(yīng)較為一致，能夠有效地抵抗地震力。而當(dāng)結(jié)構(gòu)存在豎向剛度突變時(shí)，如某一層的柱子截面突然減小或墻體減少，會(huì)導(dǎo)致該樓層成為結(jié)構(gòu)的薄弱層，在側(cè)向力作用下，薄弱層的層間位移會(huì)顯著增大，容易發(fā)生破壞。在一個(gè)具有豎向剛度突變的冷成型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，薄弱層的層間位移比其他樓層增大了約80%，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性。為了深入研究結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響，建立了不同平面和豎向布置的冷成型鋼結(jié)構(gòu)有限元模型，進(jìn)行地震作用下的時(shí)程分析。通過(guò)對(duì)比規(guī)則結(jié)構(gòu)和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力分布更加不均勻，結(jié)構(gòu)的最大層間位移和扭轉(zhuǎn)角明顯增大。不規(guī)則結(jié)構(gòu)的某些構(gòu)件的內(nèi)力比規(guī)則結(jié)構(gòu)增加了2-3倍，這表明結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則性會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性的原則，盡量避免平面和豎向布置的不規(guī)則性，以提高冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)性能和安全性。5.3抗側(cè)性能分析方法靜力彈塑性分析（Push-overanalysis）是研究冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能的常用方法之一。該方法通過(guò)在結(jié)構(gòu)上逐漸施加單調(diào)遞增的側(cè)向力，模擬結(jié)構(gòu)在側(cè)向荷載作用下的受力過(guò)程。在分析過(guò)程中，首先建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，確定結(jié)構(gòu)的材料本構(gòu)關(guān)系和幾何參數(shù)。將側(cè)向力按照一定的分布模式施加到結(jié)構(gòu)上，通常采用倒三角形分布或均布荷載模式。在每一步加載中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，考慮塑性鉸的影響，繼續(xù)進(jìn)行加載計(jì)算，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。在對(duì)冷彎薄壁型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析時(shí)，利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)模型，采用倒三角形分布的側(cè)向力進(jìn)行加載。在加載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)首先出現(xiàn)塑性鉸，隨著荷載的增加，塑性鉸逐漸向構(gòu)件的其他部位發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移達(dá)到一定限值時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，此時(shí)可以得到結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線，通過(guò)對(duì)曲線的分析，可以了解結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、屈服荷載、極限荷載等性能指標(biāo)。動(dòng)力時(shí)程分析（Dynamictime-historyanalysis）是另一種重要的抗側(cè)性能分析方法，它能夠更真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在地震等動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)。在動(dòng)力時(shí)程分析中，首先選擇合適的地震波，如ElCentro波、Taft波等。這些地震波的特性，如峰值加速度、頻譜特性等，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地條件和抗震設(shè)防要求，選擇具有代表性的地震波。將結(jié)構(gòu)離散為有限元模型，確定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震波作用下的加速度、速度和位移響應(yīng)。在計(jì)算過(guò)程中，考慮材料的非線性和幾何非線性，采用合適的本構(gòu)模型和非線性求解算法。在對(duì)冷成型鋼組合墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，選用ElCentro波作為輸入地震波，峰值加速度根據(jù)當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防要求確定。通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移、加速度響應(yīng)等結(jié)果。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移分布不均勻，底部樓層的層間位移較大，需要在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)底部樓層的抗側(cè)力措施。同時(shí)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)分析，可以了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)特性，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。反應(yīng)譜分析（Responsespectrumanalysis）也是分析冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)性能的常用方法。該方法基于地震反應(yīng)譜理論，通過(guò)將結(jié)構(gòu)的自振周期與地震反應(yīng)譜進(jìn)行匹配，計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大反應(yīng)。在反應(yīng)譜分析中，首先確定結(jié)構(gòu)的自振周期和振型，利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，求解結(jié)構(gòu)的特征方程，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。根據(jù)場(chǎng)地條件和抗震設(shè)防要求，選擇合適的地震反應(yīng)譜。根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期，在反應(yīng)譜上查得對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析和變形計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形分布。在對(duì)冷成型鋼桁架體系進(jìn)行反應(yīng)譜分析時(shí)，首先通過(guò)有限元分析得到結(jié)構(gòu)的自振周期和振型。根據(jù)結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地的類別和抗震設(shè)防烈度，選擇相應(yīng)的地震反應(yīng)譜。根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期，在反應(yīng)譜上查得地震影響系數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震作用。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，得到結(jié)構(gòu)各桿件的內(nèi)力分布，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。反應(yīng)譜分析方法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，能夠快速得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的大致反應(yīng)，但它是一種簡(jiǎn)化的分析方法，不能考慮結(jié)構(gòu)的非線性和地震波的隨機(jī)性，在實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合其他分析方法進(jìn)行綜合評(píng)估。六、案例分析6.1實(shí)際工程案例介紹選取某位于城市商業(yè)區(qū)的冷成型鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的多層商業(yè)建筑作為實(shí)際工程案例，該建筑地上5層，地下1層，總建筑面積為12000平方米。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)旨在滿足商業(yè)空間的大跨度和靈活布局需求，同時(shí)確保在風(fēng)荷載和可能的地震作用下具有良好的抗側(cè)性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主體結(jié)構(gòu)采用冷彎薄壁型鋼框架-支撐體系?？蚣苤捎帽诤駷?.0mm的冷彎矩形鋼管，截面尺寸為150mm×100mm，材質(zhì)為Q345?？蚣芰翰捎美鋸澗磉叢垆?，翼緣寬度為80mm，腹板高度為150mm，壁厚為2.5mm，材質(zhì)同樣為Q345。支撐采用壁厚為4.0mm的冷彎等邊單角鋼，肢長(zhǎng)為100mm，材質(zhì)為Q235。梁柱節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接，通過(guò)高強(qiáng)螺栓將梁與柱的端板連接在一起，確保節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度和可靠性。支撐與框架的連接采用焊接和螺栓連接相結(jié)合的方式，在支撐與框架的連接處設(shè)置連接板，通過(guò)焊接將連接板與框架構(gòu)件連接，再用螺栓將支撐與連接板固定，提高連接的穩(wěn)定性。施工過(guò)程中，冷成型鋼構(gòu)件在工廠進(jìn)行預(yù)制加工，然后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。在構(gòu)件加工過(guò)程中，嚴(yán)格控制加工精度，確保構(gòu)件的尺寸偏差在允許范圍內(nèi)。在施工現(xiàn)場(chǎng)，首先進(jìn)行基礎(chǔ)施工，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，待基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始進(jìn)行冷成型鋼構(gòu)件的安裝。安裝過(guò)程中，按照先安裝框架柱，再安裝框架梁，最后安裝支撐的順序進(jìn)行。在安裝過(guò)程中，使用全站儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)構(gòu)件的位置和垂直度進(jìn)行精確測(cè)量和調(diào)整，確保結(jié)構(gòu)的安裝質(zhì)量。在安裝支撐時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整支撐的角度和位置，使其能夠有效地發(fā)揮抗側(cè)力作用。在構(gòu)件連接方面，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行螺栓的擰緊和焊接操作，確保連接的牢固性。在梁柱節(jié)點(diǎn)處，使用扭矩扳手對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行擰緊，確保螺栓的預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在支撐與框架的連接焊縫處，進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)，確保焊縫質(zhì)量符合要求。該建筑投入使用后，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)營(yíng)，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的變形和損壞。在多次強(qiáng)風(fēng)天氣中，建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了考驗(yàn)，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問題。通過(guò)定期的結(jié)構(gòu)檢測(cè)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。在一次風(fēng)力達(dá)到8級(jí)的強(qiáng)風(fēng)天氣后，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有明顯的變形和損傷，節(jié)點(diǎn)連接牢固，支撐體系正常工作。這表明該冷成型鋼結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的抗側(cè)性能，能夠滿足建筑在正常使用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性要求。6.2基于實(shí)際案例的畸變屈曲與抗側(cè)性能分析6.2.1現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集對(duì)該多層商業(yè)建筑進(jìn)行全面的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，運(yùn)用高精度全站儀對(duì)冷成型鋼構(gòu)件的幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量，包括框架柱的截面尺寸、框架梁的翼緣寬度和腹板高度、支撐的長(zhǎng)度和角度等。測(cè)量結(jié)果顯示，框架柱的截面尺寸偏差在±2mm以內(nèi)，框架梁的翼緣寬度偏差在±1mm以內(nèi)，腹板高度偏差在±1.5mm以內(nèi)，支撐的長(zhǎng)度偏差在±3mm以內(nèi)，角度偏差在±1°以內(nèi)，均滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)鋼材的材料性能進(jìn)行檢測(cè)。采用拉伸試驗(yàn)測(cè)定鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量，采用沖擊試驗(yàn)測(cè)定鋼材的沖擊韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明，框架柱和框架梁所用Q345鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為350MPa，抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為500MPa，彈性模量實(shí)測(cè)值為2.05×10^5MPa，沖擊韌性滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；支撐所用Q235鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為240MPa，抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為370MPa，彈性模量實(shí)測(cè)值為2.03×10^5MPa，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。利用水準(zhǔn)儀和位移計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行測(cè)量，在各樓層的關(guān)鍵位置布置水準(zhǔn)儀和位移計(jì)，測(cè)量結(jié)構(gòu)在自重和使用荷載作用下的豎向位移和水平位移。測(cè)量結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為15mm，最大水平位移為8mm，均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。同時(shí)，