冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面立柱軸壓性能試驗(yàn)研究

摘 要：對(duì)17根冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面立柱的軸壓性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，截面分為A、B兩類，得到了各試件荷載位移曲線和破壞特征，并將試驗(yàn)結(jié)果與《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50018－2002)“有效寬厚比法”和美國(guó)相關(guān)規(guī)范中“直接強(qiáng)度法”、“有效截面法”計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：LC和MC系列立柱的破壞模式為整體彎曲屈曲，SC系列立柱則為局部屈曲和端部承壓破壞；B類試件的最大承載力大于A類截面試件的最大承載力的2倍，即有“1+1＞2”的拼合效應(yīng)；對(duì)于A類截面LC系列立柱，GB 50018和AISI規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守，而對(duì)于MC和SC系列試件，公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合；對(duì)于B類截面LC和MC系列試件，公式計(jì)算結(jié)果偏于不安全，而SC系列試件，公式計(jì)算最大承載力偏于安全。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼；拼合箱形截面立柱；軸壓；試驗(yàn)研究；承載力；直接強(qiáng)度法；有效寬度法

中圖分類號(hào)：TU392.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2012）04-0046-07

Experimental Analysis on Behavior of Cold-formed Steel Box Built-up Section Columns under Axial Compression

NIE Shaofeng1， ZHOU Tianhua1， YUAN Taotao2， GAO Tingting1， WU Hanheng1

(1.School of Civil Engineering， Changan University， Xian 710061， P.R.China;

2. XiAn Engineering ＆ Research Institute of Nonferrous Metals， Xian 710001， P.R.China)

Abstract:17 specimens of cold-formed steel box built-up setion columns were tested under axial compression load. The section forms were divided into two categories: A and B. Load-displacement curves and failure characteristics of specimens were obtained. The test results are compared with the caculated results according to “effective ratio of width to thickness” in code of “Technical code of cold-formed thin-wall steel structures” (GB 50018－2002)， “effective section method” and “direct strength method” in AISI specification. The results show that: the failure characteristics of LC and MC series columns are overall flexural buckling， while SC series columns are local buckling and ends confined damage. The ultimate bearing capacity of B categories section columns is three times as great as that of A categories section columns， so it has the effect of “1+1＞2”. The results calculated according to “GB50018” and AISI specification are much conservative for LC series columns of A categories section， while in agreement with test results for MC and SC series columns. For B categories section columns， the calculated results are non-conservative for LC and MC series columns， while conservative for SC series columns.

Key words:cold-formed steel; box built-up section column; axial compression; experimental study; bearing capacity; direct strength method; effective width method



近年來(lái)，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅在中國(guó)得到迅速發(fā)展，并應(yīng)用于汶川地震災(zāi)后重建工程中。具有復(fù)雜截面形式的冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面立柱作為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的主要承重構(gòu)件，常用于墻體邊角和門窗洞口等需要加強(qiáng)的部位，該類拼合立柱由C型和U型冷彎薄壁型鋼基本構(gòu)件通過(guò)自攻自鉆螺釘連接而成［1-2］。

Peters［3］通過(guò)試驗(yàn)研究不同螺釘間距下閉合箱形截面立柱（C和U型冷彎薄壁型鋼構(gòu)件拼合而成）的受壓性能表明：螺釘間距對(duì)該類箱形拼合截面立柱的極限承載力影響較大。Young等［4］對(duì)由2個(gè)Σ型冷彎薄壁型鋼基本構(gòu)件通過(guò)自攻自鉆螺釘在翼緣處連接而形成的閉合箱形截面立柱的軸壓性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，并對(duì)直接強(qiáng)度法計(jì)算該類截面柱的有效性進(jìn)行了分析。澳洲AS/NZS規(guī)范［5］和北美AISI規(guī)范［6］規(guī)定對(duì)于冷彎薄壁型鋼雙肢拼合截面立柱軸壓承載力均采用修正長(zhǎng)細(xì)比的方法計(jì)算。Stone等［7］對(duì)32根由2個(gè)C型冷彎薄壁型鋼基本構(gòu)件通過(guò)自攻自鉆螺釘背靠背連接而成的工型截面立柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與與北美AISI規(guī)范［6］相關(guān)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。Whittle［8］對(duì)由C型槽鋼通過(guò)不同電焊方式和間距連接而成的拼合箱形截面立柱軸壓承載力的試驗(yàn)研究表明：北美AISI規(guī)范［6］中修正長(zhǎng)細(xì)比的設(shè)計(jì)方法計(jì)算該類閉合截面柱的軸壓承載力偏于保守。Wilson等［9］對(duì)48根由2個(gè)C型冷彎薄壁型鋼基本構(gòu)件通過(guò)焊接而成閉合箱形截面試件的受壓性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。武勝等［10］采用有限元分析方法，對(duì)翼緣對(duì)焊箱形組合截面和翼緣疊焊箱形組合截面的兩類受壓構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值分析，研究表明：兩類新型截面構(gòu)件比單肢截面構(gòu)件能夠顯著提高截面平均應(yīng)力。郭彥林等［11］對(duì)具有翼緣卷邊的工形截面構(gòu)件的軸壓受力性能進(jìn)行了相關(guān)研究，在大量數(shù)值分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出了卷邊工形構(gòu)件在軸向壓力作用下的穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)公式。周天華等［12-13］對(duì)G550級(jí)高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼方管截面軸壓長(zhǎng)柱和短柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并給出了高強(qiáng)冷彎薄壁型鋼方管截面柱按中國(guó)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》［14］（GB 50018－2002）（以下簡(jiǎn)稱GB 50018）計(jì)算有效寬度時(shí)的建議。GB 50018規(guī)范對(duì)于C型和U型截面拼合立柱的設(shè)計(jì)規(guī)定尚未提及。

筆者對(duì)2種新型截面類型的17根冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面構(gòu)件進(jìn)行軸壓性能試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與中、美兩國(guó)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范“有效寬度法”和“直接強(qiáng)度法”計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為該類拼合箱形截面立柱的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

拼合箱形截面立柱構(gòu)件均通過(guò)自攻自鉆螺釘由C型(C140×41×14×1.6)和U型(U144×34.5×1.6)冷彎薄壁型鋼基本構(gòu)件連接而成。拼合箱形截面立柱分為A、B兩種類型，見(jiàn)圖1。

2類拼合箱形截面試件根據(jù)長(zhǎng)度不同分為短柱（SC）、中柱（MC）和長(zhǎng)柱（LC）3組，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度分別為450、1 200、3 000 mm，共計(jì)17個(gè)試件。其中，SC試件自攻自鉆螺釘縱向間距為150 mm，MC和LC試件自攻自鉆螺釘縱向間距為300 mm，約為基本構(gòu)件腹板高度的2倍，并在立柱底部100 mm處加強(qiáng)連接。試件端部連接方式采用工程實(shí)際連接方式，即試件兩端通過(guò)自攻自鉆螺釘與U型冷彎薄壁型鋼導(dǎo)梁連接。試件兩端經(jīng)過(guò)打磨磨平處理，以確保試件縱軸與其端面垂直，且加載后試件與U型導(dǎo)梁垂直緊密接觸。試件設(shè)計(jì)及連接示意圖見(jiàn)圖2。經(jīng)材性試驗(yàn)確定鋼材主要性能指標(biāo)：彈性模量E=2.23×105 MPa，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=334.04 MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u=444.73 MPa，泊松比υ=0.3。試件編號(hào)及尺寸見(jiàn)表1。

圖1 試件截面形式及尺寸

圖2 試件設(shè)計(jì)示意圖

1.2 測(cè)點(diǎn)布置、試驗(yàn)裝置及加載制度

1.2.1 測(cè)點(diǎn)布置 在各試件1/2高度處橫截面相應(yīng)位置布置應(yīng)變片，見(jiàn)圖3（a），在試驗(yàn)加載過(guò)程中進(jìn)行物理對(duì)中和測(cè)定局部屈曲荷載。位移計(jì)布置如圖3（b）所示，圓括號(hào)中位移計(jì)僅在LC系列試件中布置，方括號(hào)中位移計(jì)僅在MC系列試件中布置，D1位移計(jì)量測(cè)試件的軸向壓縮位移，D6位移計(jì)量測(cè)試件頂部水平側(cè)移，D7位移計(jì)量測(cè)MC系列試件距底端部50 mm處繞弱軸位移。

1.2.2 試驗(yàn)裝置 短柱（SC）和中柱（MC）試件采用WE-30型液壓萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加載，長(zhǎng)柱（LC）試件采用液壓千斤頂加載，見(jiàn)圖4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)TDS-602數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

圖4 試件加載裝置

1.2.3 加載制度 首先將試件放置在已定位好的剛性墊板（LC試件）或試驗(yàn)機(jī)臺(tái)座上（MC和SC試件）進(jìn)行幾何對(duì)中，然后施加1 kN預(yù)壓荷載進(jìn)行物理對(duì)中。試驗(yàn)加載采取緩慢勻速的手動(dòng)控制加載，每級(jí)加載為預(yù)估最大荷載的5%左右，保持荷載1～2 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集；當(dāng)試件截面出現(xiàn)局部屈曲后減小每級(jí)加載幅度為3 kN；荷載達(dá)到最大值后繼續(xù)加載，直到試件徹底破壞。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)現(xiàn)象

部分試件破壞特征見(jiàn)圖5。由圖5可知：A類截面立柱和B類截面立柱破壞模式基本相同。自攻自鉆螺釘間距為150～300 mm能夠保證拼合箱形截面立柱各肢間整體協(xié)同工作。

1.3.1 LC系列試件 在加載初期立柱基本保持挺直，隨后立柱發(fā)生微小彎曲；LC-A試件在荷載為45 kN時(shí)，LC-B試件在荷載為115 kN時(shí)，立柱腹板首先出現(xiàn)局部屈曲，見(jiàn)圖5(a)、(b)；隨著荷載的增加，立柱局部屈曲和彎曲屈曲發(fā)展顯著，當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，立柱最終均發(fā)生繞弱軸的彎曲失穩(wěn)而破壞，見(jiàn)圖5(c)。在試件加載過(guò)程中，部分自攻自鉆螺釘被剪斷。

1.3.2 MC系列試件 在加載初期立柱基本保持挺直，隨后立柱腹板首先出現(xiàn)不明顯局部屈曲，見(jiàn)圖5(d)、(g)；隨著荷載的增加，局部屈曲顯著發(fā)展并出現(xiàn)繞弱軸彎曲屈曲，見(jiàn)圖5(e)、(h)；當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，試件中截面形成局部塑性區(qū)域進(jìn)而發(fā)生彎折破壞，見(jiàn)圖5(f)、(i)。

1.3.3 SC系列試件 在加載初期立柱基本保持挺直，隨荷載的增加，立柱腹板出現(xiàn)局部屈曲；當(dāng)達(dá)到最大荷載時(shí)，腹板局部塑性凹陷過(guò)大而產(chǎn)生彎折破壞，且立柱端部最終被壓潰而破壞，見(jiàn)圖5(j)～(l)。

1.4 主要試驗(yàn)結(jié)果

典型試件1/2柱高處截面的荷載應(yīng)變曲線見(jiàn)圖6，荷載位移曲線見(jiàn)圖7，各試件試驗(yàn)最大承載力Pt及破壞模式列于表1。

各試件最大承載力對(duì)比分析見(jiàn)圖8。由圖8可知：試驗(yàn)中B類截面試件是由2個(gè)A類截面試件通過(guò)自攻自鉆螺釘連接而成，B類試件的最大承載力大于A類截面試件的最大承載力的2倍，即有“1+1＞2”的拼合效應(yīng)。

各試件的荷載軸向位移曲線見(jiàn)圖9、圖10。由圖9、圖10可知：在加載初期，構(gòu)件端部便與U型冷彎薄壁型鋼導(dǎo)梁緊密接觸而頂緊；隨后，荷載位移曲線表現(xiàn)出較大的剛度，在達(dá)到最大荷載之前，曲線基本呈線彈性；荷載達(dá)到最大軸壓承載力之后，荷載便迅速下降，軸向位移急劇加大，直至試件徹底破壞。

2 中、美相關(guān)規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

按照中國(guó)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》［14］（GB 50018－2002）中的“有效寬厚比法”，北美AISI規(guī)范［6］中的“直接強(qiáng)度法”和“有效截面法”分別計(jì)算各試件的軸壓最大承載力，并進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證相關(guān)規(guī)范的適用性。

圖5 部分試件破壞特征

圖6 典型試件LCB1荷載應(yīng)變曲線

圖7 典型試件LCB1荷載位移曲線

圖8 試件最大承載力對(duì)比分析

2.1 GB 50018－2002規(guī)范“有效寬厚比法”

GB 50018規(guī)定軸心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性分別按式（1）和式（2）計(jì)算。

Nu=Aenf（1）

Nu=φAef（2）

其中：Aen為有效凈截面面積；Ae為有效截面面積；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，為便于公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果，取為鋼材屈服強(qiáng)度334.04 MPa；φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，按式（3）計(jì)算。

φ=1+（1+ε0）λ22－1+（1+ε0）λ224－1λ2（3）

其中：λ=fyσE=λπfyE，E為鋼材彈性模量；fy為鋼材屈服強(qiáng)度；σE為歐拉臨界應(yīng)力；λ為長(zhǎng)細(xì)比；ε0為等效偏心率。

加勁板件、部分加勁板件和非加勁板件的有效寬厚比應(yīng)按式(4)、（5）、（6）計(jì)算。

圖9 A類截面立柱荷載軸向位移曲線

圖10 B類截面立柱荷載軸向位移曲線

當(dāng)bt≤18αρ時(shí)，bet=bct（4）

當(dāng)18αρ

bet=21.8αρbt－0.1bct(5)

當(dāng)bt≥38αρ時(shí)，bet=25αρbtbct(6)

其中：b為板件寬度；be為板件有效寬度；t為板件厚度；bc為板件受壓區(qū)寬度；α為計(jì)算系數(shù)，α=115-0.15ψ，當(dāng)ψ<0時(shí)，取α=1.15，ψ為壓應(yīng)力分布不均勻系數(shù)；ρ為計(jì)算系數(shù)，ρ=205k1kσ1，σ1=φf(shuō)y；k1為板組約束系數(shù)；k為板件受壓穩(wěn)定系數(shù)。為與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，取ρ=235k1kσ1。

2.2 北美AISI規(guī)范“直接強(qiáng)度法”

直接強(qiáng)度法由Schafer B M和Pekz T教授提出，其相關(guān)計(jì)算公式早已列入北美規(guī)范AISI－2006［15］中。

軸壓構(gòu)件的最大荷載PnD為整體屈曲荷載Pne、局部屈曲荷載Pnl和畸變屈曲荷載Pnd的最小值。即PnD=min(Pne，Pnl，Pnd)，其中，Pne、Pnl、Pnd分別按式（7）、（8）、（9）計(jì)算。

λc≤1.5 Pne=0.658λc2Py λc > 1.5 Pne=0.877λc2Py (7)

其中λc=PyPcre，Py=Afy，Pcre為試件彎曲屈曲荷載、扭轉(zhuǎn)屈曲荷載和彎扭屈曲荷載中的最小值；A為試件毛截面面積。

λl≤0.776 Pnl=Pne

λl>0.776 Pnl=1－0.15PcrlPne0.4PcrlPne0.4Pne (8)

其中λl=PnePcrl，Pcrl=Afcrl，Pcrl為試件彈性局部屈曲荷載，fcrl為彈性局部屈曲臨界應(yīng)力。

λd≤0.561Pnd=Pne

λd>0.561Pnd=1－0.25PcrdPne0.6PcrdPne0.6Pne (9)

其中λd=PyPcrd，Pcrd=Afcrd，Pcrd為試件彈性畸變屈曲荷載，fcrd為彈性畸變屈曲臨界應(yīng)力。fcrl和fcrd分別采用有限條程序（CUFSM）計(jì)算。

“有效寬厚比法”、“有效截面法”和“直接強(qiáng)度法”計(jì)算最大承載力與試驗(yàn)最大承載力對(duì)比分析見(jiàn)表1，各試件最大承載力隨長(zhǎng)細(xì)比變化曲線對(duì)比分析見(jiàn)圖11。

圖11 各試件最大承載力隨長(zhǎng)細(xì)比變化曲線

由表1和圖11試件最大承載力對(duì)比分析可知：

1）規(guī)范GB 50018有效寬厚比法、北美規(guī)范有效截面法和直接強(qiáng)度法分別計(jì)算得到的立柱軸壓最大承載力（PG、PA和PD），三者相差較小。

2）A類截面立柱：對(duì)于LC系列試件，試驗(yàn)最大承載力Pt分別大于GB 50018計(jì)算值PG、有效截面法計(jì)算值PA和直接強(qiáng)度法計(jì)算值PD27%～46%、38%～59%和33%～53%，公式計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。對(duì)于MC和SC系列試件，試驗(yàn)最大承載力與GB 50018計(jì)算值PG、有效截面法計(jì)算值PA和直接強(qiáng)度法計(jì)算值PD比較吻合，相差在-14%～14%之間。

3）B類截面立柱：對(duì)于LC和MC系列試件，試驗(yàn)最大承載力Pt均小于直接強(qiáng)度法計(jì)算最大承載力PD和有效截面法計(jì)算最大承載力（PA和PG），相差在-20%～-3%之間，中國(guó)規(guī)范GB 50018和北美規(guī)范公式計(jì)算最大承載力均偏于不安全；對(duì)于SC系列試件，除SC-B2試件試驗(yàn)最大承載力偏低外，其余2個(gè)試件試驗(yàn)最大承載力均大于兩國(guó)規(guī)范公式計(jì)算值（PD、PA和PG）8%～17%，即有效截面法和直接強(qiáng)度法計(jì)算B類截面立柱最大承載力偏于安全。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2種截面類型的冷彎薄壁型鋼拼合箱形截面構(gòu)件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，分析該類截面構(gòu)件的軸壓性能，并將試驗(yàn)與中、美兩國(guó)相關(guān)規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以得出以下結(jié)論：

1)拼合箱形截面立柱，由于其截面板件寬厚比較大，在受壓過(guò)程中，腹板均發(fā)生局部屈曲。LC和MC系列立柱的破壞模式為整體彎曲屈曲，SC系列立柱則為局部屈曲和端部承壓破壞。

2)試驗(yàn)中B類截面試件是由2個(gè)A類截面試件通過(guò)自攻自鉆螺釘連接而成，B類試件的最大承載力大于A類截面試件的最大承載力的2倍，即有“1+1＞2”的拼合效應(yīng)。

3)對(duì)于A類截面LC系列試件，試驗(yàn)最大承載力大于中國(guó)規(guī)范GB 50018和北美規(guī)范公式計(jì)算值27%～59%，公式計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守；對(duì)于A類截面MC和SC系列試件，試驗(yàn)最大承載力與公式計(jì)算值比較吻合。

4)對(duì)于B類截面LC和MC系列試件，試驗(yàn)最大承載力Pt均小于中國(guó)規(guī)范GB 50018和北美規(guī)范公式計(jì)算最大承載力-20%～-3%，公式計(jì)算結(jié)果偏于不安全；對(duì)于B類截面SC系列試件，公式計(jì)算最大承載力偏于安全。

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（編輯 王秀玲）