冷彎薄壁檁條與壓型鋼板、連接件(自攻釘)組成屋面系統(tǒng)在輕鋼結構中廣泛應用。在受到風吸力作用時,檁條上翼緣受拉,下翼緣受壓,上翼緣受壓型鋼板約束作用而下翼緣約束較少。風荷載不經過檁條截面剪心,引起的翹曲扭轉作用,與上下翼緣約束不對稱耦合導致檁條截面應力分布較為復雜,進而影響檁條屈曲模式及屈曲承載力。另外,檁條—覆板系統(tǒng)中的連接件在風災中會遭受由風致疲勞引起的損傷,從而削弱壓型鋼板約束作用對檁條屈曲承載力的增強效應,而檁條在風災過后的剩余屈曲承載力對于其能否按設計要求完成服役非常重要。所以,建立一個合理精確的檁條屈曲承載力計算模型用于初始設計以及災后性能評估成為冷彎薄壁檁條抗風設計及災后評估的關鍵科學問題。本文以簡支冷彎薄壁C/Z形檁條為研究對象,提出了適用于簡支檁條在壓型鋼板約束作用下的力學概念模型以及精細化檁條屈曲承載力計算模型,并基于精細化檁條屈曲承載力計算模型得到的檁條系統(tǒng)在風荷載作用下的抗力退化規(guī)律進行了基于概率的檁條抗風性能評估,為輕鋼結構屋面系統(tǒng)基于性能的抗風設計提供堅實的理論支撐。主要內容可分為以下幾部分:首先,回顧了輕鋼結構在強風作用下面臨的挑戰(zhàn)以及目前各個組成部分抗風性能的研究現狀,重點歸納了過去幾十年冷彎薄壁檁條抗風設計計算模型發(fā)展歷程以及研究情況,給出檁條設計中不同計算模型的特點,總結出了目前需要解決的關鍵科學問題。其次,對中國東南沿海典型城市輕鋼結構在臺風及龍卷風過后的風致破壞情況尤其是風致屋面系統(tǒng)損傷情況進行了實地調研,并基于調研結果給出了輕鋼結構在風災過后的典型破壞特征。然后,通過提出的簡支C/Z形檁條在風吸力作用下的力學概念模型,定性研究了壓型鋼板連續(xù)約束作用對檁條應力、位移、屈曲承載力等關鍵性能的影響。將力學概念模型擴展至精細化檁條屈曲計算模型,該模型結合薄壁桿件力學理論,給出了簡支冷彎薄壁C/Z形檁條在風吸力作用下考慮壓型鋼板作用、荷載偏心及平面外穩(wěn)定等影響的微分方程,得到檁條非線性彎扭屈曲破壞全過程曲線;通過迭代方式,利用有限條法計算程序CUFSM,得到了檁條的彈性屈曲極限狀態(tài),改進了直接強度設計法(Direct Strength Method),得到了考慮屈曲相關作用的檁條屈曲極限承載力;依據相關試驗資料以及數值計算結果,驗證了模型的精度。再次,通過精細化檁條屈曲承載力計算模型,分析了壓型鋼板對檁條的約束剛度、自攻釘位置變化等因素對檁條屈曲極限狀態(tài)的影響,并得到了檁條屈曲極限狀態(tài)隨壓型鋼板約束作用變化的關系,為進一步研究檁條在風災過后性能評估提供理論基礎。最后,基于提出的精細化檁條屈曲承載力計算模型,并結合時變可靠度理論,得到了檁條在臺風作用后的時變可靠度變化規(guī)律,進行了全壽命周期預測及損傷評估,并通過設定合理的性能狀態(tài),得到了輕鋼結構屋面檁條系統(tǒng)基于不同損傷狀態(tài)的易損性曲線,回歸出相應的數學公式,為輕鋼結構基于性能的抗風設計、壽命預測及災后損傷狀態(tài)評估提供堅實的理論基礎。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TU392.1
【部分圖文】：

重于初始設計，而忽略了其各個模型在災后評估方面的應用，現將檁條抗風設計計逡逑算模型闡述如下。逡逑如圖１－５所不，輕鋼結構屋面系統(tǒng)一般被稱之為檁條－覆板系統(tǒng)（Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ逡逑系統(tǒng)，簡稱Ｐ－Ｓ系統(tǒng)）由壓型鋼板、連接件以及檁條組成（如圖１－５所示），三者逡逑共同作用決定系統(tǒng)的抗風極限承載力。Ｐ－Ｓ系統(tǒng)抗風性能研宄在國內外己經開展了逡逑幾十年，各國學者采用理論、數值及試驗手段對Ｐ－Ｓ系統(tǒng)的抗風性能進行了研究。逡逑梁連接件逡逑圖１－５檁條－覆板系統(tǒng)組成示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋Ｃ／Ｚ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍｓ逡逑針對檁條抗風設計的研宄成果主要包括兩個方面：１、壓型鋼板對檁條約束作逡逑用模型；２、檁條在風吸力作用下考慮壓型鋼板約束作用時屈曲計算模型。逡逑１．２．２．１壓型鋼板對檁條上翼緣約束剛度計算模型逡逑為了精確預測屋面系統(tǒng)中檁條在風吸力作用下的力學性能，首先需要提出合逡逑理的計算模型來描述檁條受到的壓型鋼板約束作用。Ｈａｎｃｏｃｋ和ＴｒａｈａＷ３９］提出了逡逑６逡逑

（ｃ）臺風“拉里”，昆士蘭２００７州邐（ｄ）臺風“彩虹”，廣東湛江２０１５［８】逡逑圖１－４冷彎薄壁檁條在臺風作用下的破壞情況逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｄａｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ邋ｐｕｒｌｉｎｓ邋ｕｎｄｅｒ邋ｔｙｐｈｏｏｎ邋ｈａｚａｒｄｓ逡逑風吸力不經過檁條剪心，從而引起檁條翹曲扭轉，產生翹曲應力，檁條上翼緣逡逑受到壓型鋼板約束作用處于受拉狀態(tài)，下翼緣自由處于受壓狀態(tài)，使得檁條在風吸逡逑力作用時會存在局部或整體穩(wěn)定問題，成為輕鋼結構屋面系統(tǒng)抗風設計的關鍵因逡逑素之一。而合理的計算模型對于冷彎薄壁檁條在風吸力作用下的屈曲損傷機理以逡逑及風災損傷狀態(tài)評估尤為重要。冷彎薄壁型鋼檁條的抗風設計研宄已經有幾十年逡逑的歷史，取得了很多重要有價值的成果，但目前存在的檁條抗風屈曲計算模型多側逡逑重于初始設計，而忽略了其各個模型在災后評估方面的應用，現將檁條抗風設計計逡逑算模型闡述如下。逡逑如圖１－５所不，輕鋼結構屋面系統(tǒng)一般被稱之為檁條－覆板系統(tǒng)（Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ逡逑系統(tǒng)，簡稱Ｐ－Ｓ系統(tǒng)）由壓型鋼板、連接件以及檁條組成（如圖１－５所示），三者逡逑共同作用決定系統(tǒng)的抗風極限承載力。Ｐ－Ｓ系統(tǒng)抗風性能研宄在國內外己經開展了逡逑幾十年

１．２．２．２風吸力作用下檁條屈曲計算模型逡逑檁條在風吸力作用下有三種屈曲模式，分別為局部屈曲、畸變屈曲和彎扭屈曲逡逑如圖１－６所示。逡逑Ｐ１邐Ｐ邐Ｐ逡逑／邋４逡逑：Ｌｓ邐ｉＬａ逡逑（ａ）局部屈曲邐（ｂ）畸變屈曲邐（ｃ）彎扭屈曲逡逑圖１－６檁條屈曲三種模式逡逑Ｆｉｇ．邋１－６邋Ｔｈｒｅｅ邋ｂｕｃｋｌｉｎｇ邋ｍｏｄｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｕｒｌｉｎ逡逑從圖１－６中可以看出，局部屈曲和畸變屈曲是截面的變形，而彎扭屈曲在截面逡逑層次上沒有變形，是構件整體的變形。局部屈曲腹板與下翼緣在交界處轉角連續(xù)且逡逑保持垂直，畸變屈曲下翼緣與腹板交界處以及下翼緣與卷邊交界處均會發(fā)生變形，逡逑不再保持垂直，彎扭屈曲時截面保持剛性。逡逑國內外學者對于檁條在風吸力作用下的失效全過程研究主要包括，Ｐｅｋ６ｚ和逡逑Ｓｏｒｏｕｓｈｉａｎ［５０】、ＬａＢｏｕｂｅ丨５卜５３］、Ｈａｎｃｏｃｋｅｔａｌ＿［５４］、Ｆｉｓｈｅｒ［５５］、Ｒｏｕｓｃｈ邋和邋Ｈａｎｃｏｃｋ［５６］、逡逑Ｇａｏ和Ｍｏｅｎ［５７ｌ等人利用試驗方法得到了不同情況下Ｃ形和Ｚ形簡支檁條在風吸逡逑力作用下的屈曲模式以及相應屈曲極限承載力，為檁條抗風設計的理論研宄提供逡逑了豐富的科研數據�；谠囼炑芯砍晒�，研究人員針對檁條不同的屈曲模式以及屈逡逑曲承載力提出了不同的計算方法。主要包括彈性地基梁模型、經典彎扭屈曲模型、逡逑折減系數法、有限元法、有限條法、直接強度設計法

【參考文獻】

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本文編號：2832721