異形截面軸心受壓鋁合金構(gòu)件屈曲性能試驗研究

王培軍，黃 權(quán)，管謨達，王 康，邱學(xué)軍，孫魯魯

（山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，濟南 250061）

鋁合金構(gòu)件的截面設(shè)計，需同時考慮其結(jié)構(gòu)性能和圍護性能。從結(jié)構(gòu)性能方面要求構(gòu)件有足夠的承載能力，防止構(gòu)件發(fā)生整體屈曲，畸變屈曲和局部屈曲；從圍護性能方面要求構(gòu)件的截面設(shè)置與圍護材料如FRP采光板等直接連接的槽口，截面由許多開口板件和閉口板件等組成，如圖1所示，受力性能非常復(fù)雜。在20世紀(jì)70年代，歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（ECCS）和美國鋁業(yè)協(xié)會就已經(jīng)分別制定了《歐洲鋁合金結(jié)構(gòu)建議》［1］和《鋁合金結(jié)構(gòu)規(guī)范》［2］。中國近年也對鋁合金結(jié)構(gòu)進行了一系列的研究。沈祖炎等［3］對中國鋁合金結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀作了簡述。郭小農(nóng)等［4－5］對鋁合金構(gòu)件的穩(wěn)定問題進行了理論和試驗研究，石永久等［6］對鋁合金受彎構(gòu)件進行了試驗和理論研究，張錚等［7］研究了H型鋁合金壓彎構(gòu)件平面內(nèi)的穩(wěn)定承載力，王元清等［8］對鋁合金均勻受壓板件的屈曲問題作了探討，但其研究對象的截面類型是圓管、H型及槽型，對其他截面形狀更復(fù)雜的異形截面構(gòu)件尚缺乏相關(guān)研究成果。

圖1 常見鋁合金構(gòu)件截面

異形截面鋁合金軸壓構(gòu)件，根據(jù)構(gòu)件端部約束條件、截面形式、截面尺寸、構(gòu)件長度不同，除發(fā)生常見的局部屈曲、整體彎曲屈曲和整體扭轉(zhuǎn)屈曲外，還易發(fā)生畸變屈曲。畸變屈曲指截面中帶卷邊翼緣與腹板的交線發(fā)生轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致截面形狀的改變，但腹板與翼緣間的角度保持不變，從而腹板產(chǎn)生局部彎曲變形，構(gòu)件沿縱向出現(xiàn)類似于局部屈曲的畸變屈曲變形。腹板和翼緣以相同的屈曲半波彎曲，卷邊和翼緣的交線不再為直線。畸變屈曲波長介于局部屈曲和整體屈曲波長之間。目前與薄壁構(gòu)件相關(guān)的規(guī)范除了對局部屈曲和整體屈曲有較為詳盡的描述且有相關(guān)設(shè)計公式［2，9］外，對畸變屈曲卻缺乏系統(tǒng)研究。相關(guān)的試驗和理論分析［10－11］表明，對某些截面畸變屈曲是控制承載力的決定因素。姚行友和李元齊等［10］的試驗研究表明，冷彎薄壁型鋼卷邊槽形截面在軸壓作用下可能發(fā)生畸變屈曲，鄭敦和余紹鋒［11］研究了開孔薄壁卷邊槽鋼的畸變屈曲性能；羅洪光等［12］提出了計算薄壁卷邊槽鋼的畸變屈曲承載力的直接強度法；Luo等［13］研究了薄壁槽型截面構(gòu)件繞弱軸的彎曲時的畸變屈曲性能；Nandini等［14］，Camotim 和 Dinis［15－16］研究了局部屈曲、整體屈曲和畸變屈曲的相關(guān)作用。當(dāng)發(fā)生畸變屈曲時，會導(dǎo)致構(gòu)件承載能力明顯降低并危及結(jié)構(gòu)的整體安全，因此需對薄壁構(gòu)件的畸變屈曲進行系統(tǒng)的試驗研究和數(shù)值模擬。

本文對異形截面鋁合金構(gòu)件在軸向壓力作用下的屈曲性能進行了試驗研究，為安全經(jīng)濟設(shè)計鋁合金結(jié)構(gòu)提供實驗數(shù)據(jù)。并對試驗結(jié)果進行了有限元模擬，以驗證有限元模型的正確性。

1 試驗研究

異形截面鋁合金構(gòu)件軸心受力試驗采用50t液壓伺服試驗機進行，軸力大小及構(gòu)件軸向變形試驗機自動記錄。試驗構(gòu)件材料為6063鋁合金，由鋁棒通過模具熱拉拔而成（T5狀態(tài)）。

1.1 軸心受拉試驗研究

為確定試驗構(gòu)件所用鋁合金的材料性能，對圖2所示截面的鋁合金構(gòu)件進行拉伸試驗（T01a和T01b），試驗后構(gòu)件變形如圖3所示，斷口處有明顯的頸縮現(xiàn)象，表明6063（T5）鋁合金材料具有良好的塑性性能。材料的彈性模量和強度的試驗結(jié)果見表1。屈服強度最小值為193.1MPa，大于《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50429—2007）［9］給出的屈服強度設(shè)計值150MPa；彈性模量為67.1GPa，小于《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［15］給出的屈服強度設(shè)計值70GPa。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4所示，表明鋁合金材料具有良好的塑性性能。

圖2 拉伸試驗構(gòu)件

圖3 鋁合金受拉構(gòu)件斷口處變形

表1 軸心受拉試驗結(jié)果

圖4 鋁合金材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

1.2 軸心受壓試驗研究

對圖1所示截面鋁合金構(gòu)件在軸壓作用下的屈曲性能進行了試驗研究，并通過設(shè)置不同方向的初彎曲，使構(gòu)件產(chǎn)生不同的屈曲破壞模式。限于篇幅，本文僅給出截面B構(gòu)件的試驗結(jié)果。構(gòu)件長度350mm，共進行了4次試驗。試驗結(jié)果見表2；構(gòu)件軸力軸向變形曲線如圖5所示；試驗后構(gòu)件變形如圖6所示。

試驗構(gòu)件為開口截面且無對稱軸，在軸壓作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲和畸變屈曲。軸力達到極值點前，隨著軸向變形的增加，軸力逐漸增加；當(dāng)軸力達到極值點時，構(gòu)件發(fā)生屈曲，軸向變形繼續(xù)增大，但為維持構(gòu)件的平衡狀態(tài)，必須減小軸力。隨著軸力的增加，試件截面中的懸臂板件首先發(fā)生局部屈曲；同時懸臂板件繞板件交線扭轉(zhuǎn)，截面形狀改變，即發(fā)生畸變屈曲；隨后構(gòu)件撓度突然增大，發(fā)生整體的彎扭屈曲，軸力達到最大值。構(gòu)件的軸力軸向變形曲線如圖5所示。由于構(gòu)件長度僅為350mm，上述板件局部屈曲、截面畸變屈曲和構(gòu)件整體屈曲基本同時發(fā)生。試驗構(gòu)件的屈曲變形如圖6所示。構(gòu)件的屈曲方向?qū)Τ休d力基本無影響，試驗構(gòu)件B01和B04彎曲方向為Y＋方向，屈曲承載力平均值為64.2kN；構(gòu)件B02和B03彎曲方向為Y＋方向，屈曲承載力平均值為68.2kN。兩者基本相同。構(gòu)件屈曲方向和屈曲承載力試驗結(jié)果見表2，可偏安全取試驗構(gòu)件的屈曲荷載為63.1kN。

表2 屈曲承載力

圖5 軸力豎向變形曲線試驗與有限元分析結(jié)果

2 數(shù)值模擬

利用有限元程序ABAQUS對試驗構(gòu)件進行模擬，構(gòu)件編號見表3，鋁合金應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用圖4所示的試驗結(jié)果，數(shù)值分析采用位移加載模式。軸心受壓構(gòu)件非線性屈曲分析時，需引入初彎曲；且如果初彎曲過小，構(gòu)件僅發(fā)生強度破壞，如果初彎曲過大，導(dǎo)致屈曲荷載計算值偏低。有限元分析模型通過調(diào)整初彎曲大小，綜合考慮以上各缺陷。初彎曲大小參數(shù)敏感性分析表明，當(dāng)最大初始彎曲小于0.1mm時，構(gòu)件僅發(fā)生強度破壞。取最大初始缺陷為0.7mm，并通過調(diào)整節(jié)點坐標(biāo)引入初始幾何缺陷。單元采用S4R殼單元，網(wǎng)格大小為5mm×5mm。有限元模型中構(gòu)件兩端分別設(shè)置剛性加載板模擬壓力試驗機的實際加載過程。加載板與構(gòu)件端部采用ABAQUS的接觸算法。采用位移加載法求解構(gòu)件非線性屈曲軸力軸向變形曲線。

圖6 試驗構(gòu)件B01～B04試驗后變形圖

表3 有限元模擬軸心受壓構(gòu)件編號

構(gòu)件屈曲變形的有限元模擬結(jié)果如圖7所示，同時包含局部屈曲，整體屈曲和畸變屈曲。與圖6試驗結(jié)果一致。屈曲后截面變形的模擬結(jié)果如圖8所示，截面既有整體彎曲和扭轉(zhuǎn)，也有板件的局部彎曲和扭轉(zhuǎn)，因此對異性截面鋁合金構(gòu)件的承載力計算，必須考慮各種破壞模態(tài)，以及破壞模態(tài)之間的耦合作用。表4給出了截面B構(gòu)件屈曲承載力的有限元分析結(jié)果，初彎曲方向?qū)?gòu)件的屈曲承載力無影響。但初彎曲方向?qū)?gòu)件屈曲時的截面應(yīng)力分布有顯著影響，如圖9所示。初彎曲方向為X軸正向、X軸負(fù)向和Y軸正向時，構(gòu)件受壓板件明顯發(fā)生了局部屈曲。

圖7 FB－01、FB－02、FB－03、FB－04變形有限元分析結(jié)果

圖8 構(gòu)件畸變屈曲后跨中截面的變形

圖9 構(gòu)件屈曲時截面應(yīng)力分析結(jié)果

3 規(guī)范公式承載力計算及比較

采用《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［9］給出的軸壓構(gòu)件承載力的計算方法，該計算方法未考慮局板件局部屈曲和截面畸變屈曲的影響。截面B構(gòu)件軸心受壓屈曲承載力的計算結(jié)果見表5。表5同時給出了截面B構(gòu)件屈曲承載力的試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果。《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［9］低于試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果，兩者相差約10%。規(guī)范對本文所研究的異形截面鋁合金構(gòu)件沒有區(qū)分屈曲破壞類型的影響，屈曲承載力的計算結(jié)果偏小；有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，可用于后續(xù)異形截面鋁合金屈曲性能的參數(shù)分析。

表5 軸心受壓鋁合金構(gòu)件屈曲承載力比較

4 結(jié) 論

1）給出了圖1所示B截面構(gòu)件屈曲性能的試驗和有限元分析結(jié)果。由于組成截面的開口板件和閉口板件不同，導(dǎo)致不同板件邊界支撐條件不同，影響各板件屈曲發(fā)展過程。與B截面試件相比，截面A、C和D試件發(fā)生板件局部屈曲和截面畸變屈曲后，軸力仍可持續(xù)增加，隨后發(fā)生整體彎扭屈曲，構(gòu)件發(fā)生破壞。

2）將B截面構(gòu)件屈曲性能的試驗結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果以及《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)公式的計算結(jié)果進行了對比。結(jié)果表明，數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確計算異形截面鋁合金構(gòu)件的屈曲承載力。薄壁鋁合金構(gòu)件可能發(fā)生整體屈曲，局部屈曲和畸變屈曲，且各屈曲破壞模態(tài)可能同時存在。規(guī)范對本文所研究異形截面鋁合金構(gòu)件沒有區(qū)分屈曲破壞類型的影響，屈曲承載力的計算結(jié)果偏小。

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