本文是一篇结构工程论文，本文针对Q690高强度钢材焊接箱形截面轴压构件（以下简称为“轴压构件”），建立考虑几何初始缺陷和焊接残余应力的有限元模型，在验证模型的可靠性和正确性的基础上，对构件进行参数化分析，探究影响稳定承载力的因素，分别对其展开轴压构件局部稳定性、整体稳定性以及局部-整体相关稳定性分析，利用有限元计算结果和已有的试验数值，提出了轴压构件局部稳定承载力建议计算公式和用于整体稳定承载力的计算方法，再此基础上，进一步提出了局部-整体相关稳定承载力计算公式。
第1章 绪论
1.1 论文研究简述
1.1.1 论文研究意义
高强钢相较于普通钢材，具有更高的屈服强度和抗拉强度，因此相较于普通强度钢构件，在结构中采用高强钢构件可以减小构件自重和截面尺寸，节约钢材用量，有利于实际工程施工，节约制造、运输、安装等成本[1]。
对于普通强度轴心受压钢构件，稳定性是决定其承载能力的关键因素，但随着高强度钢的广泛应用，由于其高强的结构特性，增加了高强钢构件发生屈曲的可能性[2]。我国现行《钢结构设计标准》(GB50017-2017)针对轴心受压构件提出了严格的板件宽厚比限值，构件在发生失稳时，无法发挥高强钢构件的强度优势。钢结构设计标准的主导思想是避免板件发生局部屈曲，但这样无法发挥高强钢材的性能，并忽略了失稳后存在的有益的屈曲后强度储备。因此，对高强钢轴心受压构件进行局部稳定性以及屈曲后效应的分析，对钢结构设计和施工具有重要意义[3]。
中国现有《钢结构设计标准》(GB50017-2017)中建议了四条柱子曲线用于构件整体稳定性设计，但其仅适用于屈服强度不大于460MPa的钢构件，因此，研究Q690高强钢轴压构件的整体稳定性能，给出相应建议设计曲线，对提高中国标准的应用范围具有重要意义。对于中等长细比的钢构件，往往会发生局部-整体相关失稳现象，设计计算相对更为复杂，提出轴压构件局部-整体相关承载力设计公式，对构件稳定性设计较为重要。
计算机技术的大力发展使得有限元分析方法(FEM)已成为分析受压构件稳定性能的一种有效方法。利用有限元软件可以建立准确模拟构件几何初始缺陷和截面焊接残余应力的有限元模型，能够准确分析高强度钢材轴心受压构件稳定性。因此，在研究高强钢构件的稳定性能时使用有限元法，使得研究分析较为可靠[4]。
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 本节简介
在下面几节中，旨在概述与本文相关的高强钢稳定性问题的主要研究背景。在1.2.2节中，描述了高强钢的特点及钢材生产工艺的发展；在1.2.3节中，概述了结构稳定性理论中的失稳问题按照不同属性的分类。在1.2.4节中，主要概述了以高强钢结构稳定性为研究重点的试验研究分析。在1.2.5节中，概述了高强钢焊接构件的残余应力试验研究现状。在1.2.6节中，概述了板件间约束效应的研究现状。在1.2.7节中，针对板件的局部屈曲问题进行了简要介绍。在1.2.8节中，介绍了目前用于解决整体屈曲的不同设计方法。在1.2.9节中，介绍了解决局部屈曲和整体屈曲相互作用的不同设计方法。
1.2.2 高强度钢材
1.2.2.1 高强度钢材的特点及工程应用
通常情况下，高强度钢材（以下简称“高强钢”）是采用微合金化和热机械轧制技术生产出的具有高强度（𝑓𝑦≥460MPa）、良好韧性、延性和加工性能的一种高性能结构材料[5][6]。
在国内外高强钢的工程应用中，伴随着施工与设计技术的发展，高强钢被广泛地应用于各种建筑结构中，已有很多的钢结构工程成功应用了高强度钢材，如国家体育场（图 1-2(a)所示）[7]、深圳湾体育中心（图 1-2(b)所示）[8]、凤凰国际传媒中心（图 1-2(c)所示）[9]和德国柏林索尼中心等结构工程。并且取得了良好的经济和社会效益。目前，高强钢的工程应用和发展已成为钢结构的新发展趋势，在未来将拥有更加广阔的发展前景和使用价值。
第2章 Q690高强钢焊接箱形截面轴压构件局部稳定性分析
2.2 试验试件概况
2.2.1 试件基本参数
本文模拟的试件对象为三组Q690焊接箱形轴压试件，包括方箱形和矩形箱形截面。其中，第一组试件为日本学者Usami[28][35]等试验的5根690MPa的方形截面轴压短柱。第二组试件同为日本学者Usami[28][35]等试验的3根690MPa的矩形截面轴压短柱。第三组为美国学者Nishino[27]等试验的4根690MPa的方形短柱。
Usami等试验的方形和矩形截面短柱的钢板焊缝连接形式为角部连接，但是其翼缘板与腹板在焊接处呈T形，左右翼缘板宽度超出腹板中心线位置6mm，其具体截面特征如图2-1(a)所示。Nishino等制作的方形截面短柱的焊缝连接形式也为角部连接，但焊缝位置处于翼缘板与腹板中心线交点处，其截面特征如图2-1(b)所示。图中𝑏代表翼缘宽度，𝑏0代表净翼缘宽度，ℎ代表腹板宽度，ℎ0代表净腹板宽度，𝑡𝑓代表翼缘厚度，𝑡𝑤代表腹板厚度，𝐿代表试件整体长度。
2.3 有限元模型2.3.1 建立有限元模型
利用数值模拟分析软件ANSYS建立有限元模型的详细过程如下。
（1）输入基本参数，建立基础模型。
在ANSYS中，首先输入基本可变参数。对于宽厚比较大的薄壁构件，一般选用壳单元建立模型，本文有限元模型采用SHELL181平面壳单元。SHELL181单元是四节点单元，每个节点有六个自由度，适用于厚度较薄的壳体结构数值分析以及大转动和大应变的非线性分析，此单元的几何形状和节点位置等信息如图2-2所示，图中，点I、J、K和L是单元的四个节点。采用直接建模的方法，通过定义关键点，建立基础有限元模型。
（2）划分有限元模型网格。
在ANSYS中，随着构件模型划分单元边长的减小，划分单元数目会相应地增加，模型单元网格密度增大，计算精度也会相应地增加，但是模型占用的计算机内存和计算时长也会相应地增加，因此，合理的单元数目有利于增大计算的效率并确保计算精度。
以试件S-10-33为例，模型的单元数目对极限承载力的影响见图2-3所示。有限元模型沿长度方向分别划分26个单元和70个单元的计算承载力数值相差−3.084%，而分别划分70个单元和100个单元的计算承载力数值仅相差−0.064%。
第3章 Q690高强钢焊接箱形截面轴压构件整体稳定性分析 .............................. 43
3.1 试件概况 ............................... 43
3.2 有限元模型 .......................... 44
第4章 Q690焊接箱形轴压构件局部-整体相关稳定性分析 ................................ 59
4.1 试件基本概况 ....................................... 59
4.2 相关稳定性能有限元模型数值分析 ........................... 60
第5章 结论与展望 ............................... 73
5.1 结论 .................................... 73
5.2 展望 .................................... 74
第4章 Q690焊接箱形轴压构件局部-整体相关稳定性分析
4.1 试件基本概况
本章采用两组Q690高强钢焊接箱形轴压构件相关稳定的试验结果，验证建立的有限元模型的正确性和可靠性。其中，第一组试件为Usami等[28][35]制作的6个屈服强度为690MPa的方形箱形截面轴压构件，试件的具体截面形式见图2-1(a)。第二组试件同为Usami等[28][35]制作的8个屈服强度为690MPa的轴压构件，截面形式为矩形箱形截面，试件的具体截面形式见图2-1(a)。两组试件的具体构件尺寸见表4-1所示。其中，𝐿𝑒是柱脚转动中心至试件端面距离，即为端板长度，𝐿𝑡是试件的有效计算长度，𝐿是试件实际物理长度，𝑏0是试件截面净宽度，ℎ指截面高度，𝑡𝑓是截面翼缘板宽度，腹板宽度𝑡𝑤与翼缘板宽度相等，𝑏0𝑡𝑓⁄是截面宽厚比，𝜆𝑐是构件有效计算长细比，𝜆𝑐的计算公式如式(3-1)所示。
第5章 结论与展望
5.1 结论
本文针对Q690高强度钢材焊接箱形截面轴压构件（以下简称为“轴压构件”），建立考虑几何初始缺陷和焊接残余应力的有限元模型，在验证模型的可靠性和正确性的基础上，对构件进行参数化分析，探究影响稳定承载力的因素，分别对其展开轴压构件局部稳定性、整体稳定性以及局部-整体相关稳定性分析，利用有限元计算结果和已有的试验数值，提出了轴压构件局部稳定承载力建议计算公式和用于整体稳定承载力的计算方法，再此基础上，进一步提出了局部-整体相关稳定承载力计算公式。
基于本文主要研究工作，可以得到以下结论：
（1）基于已有的试验数据，本文建立的考虑实际缺陷（几何缺陷、材料几何非线性和焊接残余应力）的局部稳定、整体稳定和局部-整体相关稳定有限元模型，与试验结果进行对比分析后发现，其可以较为准确地模拟轴压构件的加载过程，并且可以较为准确地计
