冷彎薄壁C型鋼梁彎曲性能的試驗研究

翁 旭，余海波

（嘉興學院，浙江 嘉興 314001）

近年來，我國興起了一種新型的建筑體系——冷彎薄壁型鋼結構住宅體系。這種結構體系一般適用于3 層或3 層以下的獨立住宅。冷彎薄壁型鋼結構，與傳統的熱軋鋼材相比，冷彎薄壁型鋼具有強度高、安裝方便、自身凈質重小、工廠化程度高以及適于機械化施工等優點。因此，比傳統的熱軋鋼材更具有經濟性。本文就是針對冷彎薄壁C 型鋼梁彎曲性能，進行試驗和理論研究。

1 試驗部分

1.1 試驗方案

前期，計算（查表）截面各項參數，設計出構件的形狀尺寸，選用截面C100 mm× 48 mm×15 mm×2.0 mm。其設計的構件如圖1 所示。

圖1 構件截面圖形

構件的加載情況如圖2 所示。

圖2 非純彎試驗

本次試驗共采用兩種構件形式：截面相同，但長度不同，一個1 600 mm，一個是1 000 mm。

試驗加載原則：

（1）為了研究冷彎薄壁C 型梁的工作性能，主要測定其強度，及各荷載的撓度情況，另外還要測量控制區段的應變大小和變化，找出剛度隨外荷載變化的規律。

（2）加載制度。試驗采用分級加載，每級荷載為10%～20%的標準荷載，在臨近破壞荷載時，取5 %的標準荷載。在每級荷載下停留5 min，并進行數據記錄。把確定好的加載制度換算成傳感器所應顯示的應變。第一級荷載應計入構件的自重。

本試驗利用工程力學實驗室的壓力試驗機進行加載。百分表測讀跨中位置處的變形（第一級0.5 kN）

（3）測點布置。在跨中截面處布置7個測點。測點布置如圖3 所示。

圖3 測點布置

1.2 試驗數據

通過試驗數據，繪制出圖4 的撓度- 荷載關系曲線。

圖4 撓度- 荷載關系曲線

1.3 試驗結果分析

對于試驗構件來說，本次試驗是非純彎試驗，除了在荷載作用點附近的畸變屈曲之外，翼緣也發生了局部屈曲，冷彎薄壁C 型鋼卷邊對翼緣起到支撐作用，試件的變形基本對稱。1 000 mm 長的試件比1 600 mm 的試件，承載力要大，變形要小。

2 有限元模擬（ANSYS）性能研究

為了準確研究冷彎型鋼的力學性能，以及各種界面的型鋼對其力學性能的影響，筆者主要針對目前國內使用最廣泛的C 型鋼，通過有限元的分析方法，使用軟件ANSYS10.0 中的SHELL181 單元，對試驗的構件進行模擬分析。

2.1 模型說明

取長度為1.6 m 的梁，截面考慮C 型鋼，每個截面分別考慮3 種規格。為了保證截面的單位用鋼量相等，在選取截面的時候，3 種截面選擇詳圖的截面面積。同時，每種截面的型鋼選取3 種同截面積、不同高寬比的規格，用于研究同種截面型鋼的力學性能差異。具體型號見表1。

表1 鋼材具體型號表（單位：mm）

2.2 邊界條件

施加如圖5 所示邊界條件：在梁的上表面中部找出均勻分布的12個節點，在其上跨中加載，在該荷載作用下，梁進入塑性變形階段；左右兩端約束x、y、z 這3個方向的平動自由度。

圖5 施加邊界條件圖

2.3 模擬結果分析

利用有限元程序ANSYS10.0 考慮幾何非線性和材料非線性，并且考慮試件的初始幾何缺陷，利用弧長法對所有試驗進行了荷載—位移全過程模擬。

有限元模擬結果與試驗結果的對比分析發現，前期兩者吻合很好，但由于試驗條件限制，試驗結果梁沒有達到破壞（主要原因是加載裝置最大能加到7 kN，實驗室的百分表最大量程是30 mm，打算在后期要重新做下試驗，改進加載方法）。而有限元的模擬圖像如圖6。

圖6 有限元模擬圖像

3 本次項目試驗存在的問題

本項目在試驗工程中存在以下問題：

（1）由于實驗室沒有針對鋼梁受彎試驗用的反力架，這次試驗采用工程力學實驗室的2 臺壓力試驗機，作為鋼梁的鉸結點，反力架裝置可能和實際的有出入。

（2）加載時用的是壓力試驗機，但試驗機的最大加載值，遠小于模擬的值。

（3）本試驗應該設計些不同截面尺寸的構件，由于試驗條件的限制，只能選取截面相同，而長度不同的構件做對比分析。

4 結束語

本文通過對冷彎薄壁C 型鋼梁的彎曲性能進行試驗、理論和有限元模擬分析研究，從而發現，冷彎薄壁C 型鋼梁具有良好的力學性能，樂觀的估計，冷彎薄壁C 型鋼將形成一個很大的產業。將在以后的建筑業中發揮巨大的作用，使得我國的建筑業可以更上一個臺階，讓我國的鋼鐵行業也可以領先于世界。在理論研究、軟件開發、產品生產等方面都有廣闊的前景。

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