熱軋H 型鋼柱側向沖擊試驗研究

崔娟玲，郭昭勝，王 蕊，裴 暢

（1．太原理工大學，太原 030024；2．山西省電力勘察設計院，太原 030001）

H型鋼柱被廣泛地應用于多、高層建筑、工業建筑、設備管道支架及各類構筑物等結構中，尤以框排架結構和門式剛架結構形式最為常見。然而由于荷載的復雜性和隨機性，結構構件在使用過程中可能遭受到各種非正常設計荷載，如各類交通運輸工具對結構的意外碰撞、起重機作業時起吊重物的偶然撞擊、恐怖襲擊中的爆炸沖擊等。由于H型鋼柱截面開展，剛度小，自重輕，一旦遭遇撞擊，其損傷和破壞程度將比鋼筋混凝土結構和鋼混組合結構更為嚴重，極有可能造成巨大的生命財產損失。因此，隨著熱軋H型鋼柱在工程建設中的廣泛應用，對其受到側向沖擊荷載作用時的性能研究顯得十分重要，進而對沖擊受損的熱軋H型鋼柱的殘余承載性能的研究也必將成為熱點。

目前，側向沖擊荷載作用下的結構動力性能研究大多集中在鋼筋混凝土梁柱、鋼管混凝土梁柱、鋼－混凝土組合梁及鋼管節點等領域［1－4］，而關于熱軋H型鋼構件在沖擊荷載作用下的動力性能研究的報道還不多見。霍靜思等［5］對4根熱軋H型鋼梁進行了落錘撞擊試驗，通過記錄沖擊力時程曲線和跨中變形，得出試件的撓曲變形為正弦半波曲線，研究表明：沖擊能量不同時，沖擊力峰值和沖擊力時程曲線變化趨勢基本相同；沖擊能量相同時，落錘質量越大跨中變形發展越大。魏薇等［6］對H型鋼在低溫下的沖擊韌性進行了研究，主要從鋼材的生產工藝上分析加入某些元素對H型鋼沖擊韌性的影響。PEI等［7］等運用Abaqus有限元軟件對熱軋HW100×100×6×8型鋼在側向沖擊荷載作用下的力學性能進行了參數分析，研究了沖擊能、沖擊物質量、沖擊速度等參數對H型鋼構件的動力響應的影響。其分析表明：沖擊能越大，沖擊力時間延長，沖擊力峰值增大，而平臺值基本不變；試件側向殘余變形量與沖擊能量呈線性關系，當沖擊能相同時，沖擊物質量的大小對試件側向殘余變形量的影響不大，但沖擊力峰值將增加。

本文采用太原理工大學研制的DHR9401落錘沖擊試驗機分別對6個固－簡約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件和6個翼緣下支墊剛性平臺約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件進行了側向沖擊試驗，側向沖擊荷載針對鋼柱強軸作用，且暫不考慮鋼柱軸向力作用對鋼柱抗沖擊性能的影響。通過記錄沖擊力時程曲線、沖擊力值、柱中局部殘余變形和整體殘余變形量，研究了鋼柱在3種不同沖擊能量作用下的動態抗沖擊力學性能。利用試驗中沖擊受損的熱軋H型鋼柱試件，可以繼續開展鋼柱殘余承載性能的試驗研究及分析工作。

1 試驗概況

1.1 試件設計

結合工程實際并綜合考慮試驗條件，本次試驗共設計了12個熱軋H型鋼柱試件，試件的規格完全相同，均為 HW100×100×6×8，材質為 Q235－B，高度為1．5 m，上、下端板均采用16 mm厚方形鋼板，材質為Q345－B，上、下端板均與H型鋼柱之間滿焊，且下端板與鋼柱之間設置2個三角形小加勁肋。試件的形式如圖1所示。

圖1 試件構造示意圖Fig．1 Details of specimen

本次試驗考慮了兩種不同的約束邊界條件：第一種：H型鋼柱底端固定、上端鉸支形式的固－簡約束邊界條件；第二種：H型鋼翼緣下支墊剛性平臺邊界條件。由于在實踐中往往出現鋼柱的翼緣和腹板已發生較嚴重的局部屈曲變形，而鋼柱柱身仍保持較好的直立性，未見較大整體側向彎曲的情況，因此專門設計第二種邊界條件，以實現在鋼柱不產生整體彎曲的情況下僅僅發生局部屈曲變形的模擬，這為考察側向沖擊荷載作用下熱軋H型鋼柱的翼緣和腹板發生較大的局部屈曲變形和鋼柱剩余承載力之間的量化關系奠定了技術條件。

每種邊界條件各有6個試件，同種邊界條件下考慮3個沖擊能量水平。試件試驗參數如表1所示。試件編號中首字母的L和G用于區別邊界條件，G表示固－簡約束邊界條件，L表示翼緣下支墊剛性平臺邊界條件；第二位的L、M、H分別表示低、中、高3個沖擊高度；末尾數字1、2為同工況下的試件編號。沖擊位置自上端板底邊算起，h為試件高度。

試驗中為實現固－簡約束邊界條件，設計了專用固定支座，支座采用Q345－B鋼材制作，立板上設有8個螺栓孔，通過8個10．9級M20高強螺栓與試件下端板相連，固定支座底板通過4個10．9級M30高強螺栓與試驗剛性平臺錨固連接。

試驗前，按國家標準《金屬拉伸試驗試樣》GB6937－86、《鋼材力學及工藝性能試驗取樣規定》GB2975－82的有關規定，分別對H型鋼的翼緣和腹板取樣，進行拉伸試驗測定。表2給出了鋼材的力學性能指標。

表1 試件參數表Tab．1 Parameters table of test specimen

表2 試件鋼材的基本力學性能參數Tab．2 Themechanical properties of steel

1.2 試驗裝置與測試內容

本試驗采用的DHR9401落錘沖擊試驗機及試驗裝置如圖2所示，主要由試驗機架、滑軌、卷揚機、落錘、沖擊力傳感器、TDS420A數據存儲示波器組成。DHR9401落錘試驗機最大有效落差達12．60 m，相應的沖擊速度可達15．7 m／s，能夠滿足大范圍內低速沖擊試驗的要求。

本次試驗沖擊物總重為150．04 kg，由落錘和沖擊頭以及沖擊力傳感器組成。沖擊頭由硬度為64HRC的鉻15制成，重25．5 kg，沖擊頭為平頭，形狀及尺寸如圖3所示。

圖2 DHR9401落錘沖擊試驗機及沖擊頭參數Fig．2 Drop hammer impact tester

圖3 沖擊頭形狀及幾何尺寸Fig．3 The shape and size of pounding head

圖4給出了固－簡約束邊界條件安裝方式，鋼柱固定端與專用固定支座連接，簡支端直接放置在直徑50 mm的鋼棒上。圖5給出了支墊剛性平臺邊界條件安裝方式，在試件翼緣下方支墊了剛性平臺梁，以限制試件的整體撓曲變形，同時為防止沖擊過程中試件跳動移位，在試件兩端部加臨時蓋板。試驗測試內容包括：①沖擊力時程曲線和沖擊力值；②試件受沖擊部位的局部殘余變形量；③試件中部的整體殘余變形量。

本文以沖擊試驗前后柱中翼緣外邊緣的相對位置變化作為試件的局部殘余變形量δ，以沖擊試驗前后柱中截面位置的縱軸線相對位置變化作為試件的整體殘余變形量Δ，單位均為mm，見示意圖6，試驗時采用高度游標卡尺量測。

圖4 固－簡約束邊界條件下的試件安裝實景Fig．4 The assembly diagram of test site of specimens

圖5 下翼緣支墊剛性平臺梁試件安裝實景Fig．5 The assembly diagram of test site of specimens lay on rigid beam

2 試驗結果與分析

2.1 試件的破壞形態及殘余變形量

圖6 殘余變形量示意圖Fig．6 The schematic diagram of residual deformation

圖7為6個固－簡約束邊界試件在柱中0．5 h處受沖擊后的最終變形形態，同時給出變形值。除試件G－L1外，其余試件都發生了較為明顯的局部屈曲變形和整體撓曲變形，且變形隨著沖擊能的增加而增大。試件G－L1的沖擊能量最小，試件整體未見明顯變化，僅直接受沖擊部位發生微小局部殘余變形（最大變形僅為1．71 mm）。該組試件受到沖擊時，上翼緣受到落錘的劇烈撞擊，沖擊部位翼緣發生凹陷，部分動能瞬間轉化為變形能，上翼緣吸收能量后傳向腹板，腹板并沒有產生明顯局部屈曲，而是直接傳向下翼緣，試件發生整體撓曲變形。圖8（a）給出了6個翼緣下支墊剛性平臺約束邊界試件的變形模態及變形值，顯然與圖7中試件的變形模態差別很大。在沖擊力作用下，直接受到沖擊的上翼緣和腹板出現明顯的局部屈曲變形，而試件由于受到下部剛性平臺的支承約束無法發生整體變形，試件基本呈直線形。這組試件受到沖擊時，直接受沖擊部位的上翼緣產生局部凹陷，并伴有輕度剪切變形，沖擊能量僅在沖擊區域附近耗散，導致沖擊點下方的腹板區域吸收剩余沖擊能后產生嚴重的平面外鼓曲（屈曲）。

圖8－（b）（c）（d）圖分別為1．67m、2m、2．5m高度處沖擊時產生的局部屈曲破壞形態，可以看出，沖擊能量越高，腹板和翼緣處出現的局部屈曲變形就越嚴重。

圖7 固－簡支試件側向沖擊后的變形模式Fig．7 Deformation modes of specimens under fixed-simple boundary condition

綜上所述，沖擊高度對試件的殘余變形影響很大，沖擊高度越高，沖擊能量越大，試件的局部殘余變形和整體殘余變形就越大。應注意到，對于同一沖擊工況的兩個試件，跨中撓度也會存在較大的差值，但總體變形趨勢不受影響。如試件G－H1和G－H2。產生的差異原因是多方面的，包括測量誤差、落錘的實際沖擊位置未嚴格落在標記的中心線上，試件本身的材質不均勻和邊界條件不完全一致等。

圖8 翼緣下支墊剛性平臺約束邊界試件的變形模式Fig．8 Deformation modes of specimens laid on rigid beam

2.2 沖擊力時程曲線

表3給出了試件在不同沖擊能量下的試驗結果。在側向沖擊下，翼緣下支墊剛性平臺約束邊界試件的沖擊力平臺值明顯高于固－簡約束邊界試件，前者在230～250 kN之間，而后者僅在150 kN左右。相同邊界條件下的試件具有較穩定的沖擊力平臺值，由此可知：一旦當各個試件的截面、長度、受約束情況均確定時，試件抵抗沖擊荷載的能力并不因沖擊能量的不同而改變。同時可以看出，沖擊高度對沖擊力峰值有直接影響，沖擊高度越大，沖擊力峰值越大，各試件的沖擊力峰值有一定的差異。固－簡約束邊界試件的沖擊時間最小為 10．1 ms，最大為 14．46 ms，明顯長于翼緣下支墊剛性平臺梁約束邊界試件（介于5．02～7．82 ms之間），沖擊時間的總體趨勢是隨著沖擊高度的升高逐漸延長，同一沖擊高度的沖擊時間相差并不大。

表3 試件的沖擊力測量結果Tab．3 Themeasured results of specimens under fixed-sim ple boundary condition

從圖9中固－簡約束邊界試件的沖擊力時程曲線可以看出，在開始階段，快速降落的沖擊落錘與試件接觸瞬間，二者之間的接觸力急劇上升并達到沖擊力峰值，此時落錘一部分動能轉化成試件的變形能，被沖擊區域剛度下降，落錘和試件短暫分離，沖擊力迅速衰減為零。首次接觸瞬間試件獲得較大的速度，落錘被彈起后又落下，試件彈性恢復時二者再次接觸，沖擊力再次達到峰值，兩次峰值大小相近，故而沖擊力時程曲線出現兩個峰值。經過兩次波動后，沖擊力進入穩定階段，試件以變形消耗沖擊能量，落錘與試件速度逐漸降低。大約經過10 ms，沖擊力進入卸載階段，最后落錘與試件的速度降低直到靜止，沖擊力最終下降到零點，完成整個沖擊過程。

圖10給出了翼緣下支墊剛性平臺約束邊界試件的沖擊力時程曲線。沖擊力曲線經歷了峰值段、平臺段和下降段，具有較明顯的特征。落錘和試件接觸后沖擊力劇烈上升達到峰值，在翼緣和腹板發生大變形后，沖擊力經歷短暫的平臺值后持續降低，這與跨中翼緣和上部腹板發生嚴重的屈曲變形有關。圖10（a）、（b）、（c）分別比較了相同沖擊高度下鋼柱試件的沖擊力時程曲線，同一沖擊高度的沖擊時間相差不大，試件的沖擊力平臺值在230～250 kN之間，較為穩定。圖10（d）表明，沖擊高度越大，沖擊力峰值越大，沖擊時間隨著沖擊高度的升高逐漸變長。

圖9 固－簡支試件在側向沖擊下的沖擊力時程曲線Fig．9 The time history curves of impact force for specimens under fixed-simple boundary condition

2．3 兩種邊界條件下的沖擊力時程曲線比較

圖11給出了相同沖擊能量下的固－簡約束邊界試件和翼緣下支墊剛性梁約束邊界試件的沖擊力時程曲線，可以看出，兩者在沖擊力平臺值和沖擊時間方面有很大的差異，前者達到沖擊力峰值后，大約經歷3 ms進入平臺階段，而后者達到沖擊力峰值后，不到1 ms即進入平臺階段，約3 ms后迅速下降，整個沖擊力響應過程非常短暫。后者的沖擊時間相對前者的沖擊時間要短很多，沖擊力平臺值卻比前者高一倍左右。這一試驗現象說明在沖擊荷載作用下，固－簡約束邊界試件的整體抗彎剛度相對較小，以向下發生整體大變形來緩和落錘與試件之間的沖擊力，產生較低的沖擊力平臺值，同時延長了沖擊時間，表現出較好的延性。而翼緣下支墊剛性梁的約束邊界試件受到剛性梁的限制，無法產生較大整體變形，只能依靠受沖擊部位的翼緣和腹板的嚴重局部屈曲變形來消耗沖擊能量，試件與落錘間的碰撞顯得尤為劇烈，形成短暫的較高的沖擊力平臺值。

圖10 支墊剛性平臺梁試件的沖擊力時程曲線Fig．10 The time history curves of impact force for specimens laid on rigid beam

圖11 相同沖擊能量下不同約束試件的沖擊力時程曲線Fig．11 The time history curves of specimens with the same impact energy under different constraints

3 殘余變形與沖擊能量的關系

圖12 殘余變形與沖擊能的關系Fig．12 The relationship between residual deformation and impact energy

圖12給出了兩種邊界條件試件的殘余變形與沖擊能的相關關系直方圖，其中對翼緣下支墊剛性梁約束邊界試件，殘余變形取同一沖擊能量下兩個試件的柱中局部殘余變形的平均值δ—；對固－簡約束邊界試件，殘余變形取同一沖擊能量下兩個試件的柱中整體彎曲殘余變形的平均值Δ—。可以看出，柱中殘余變形均隨著沖擊能量的增大而增大，邊界條件對于柱中殘余變形的影響很大。

4 結 論

本文對6個固－簡約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件和6個翼緣下支墊剛性平臺邊界條件的熱軋H型鋼柱試件分別進行了3種不同沖擊高度的側向沖擊試驗，在本文研究的參數范圍內得到了以下一些結果：

（1）在側向沖擊荷載作用下，固－簡約束邊界條件試件除了產生較大整體彎曲殘余變形外，還產生了一定量的局部殘余變形；翼緣下支墊剛性平臺邊界條件試件則在受撞擊區域的上翼緣和腹板上產生了嚴重的局部屈曲，并伴有輕度剪切變形，沖擊能量僅在沖擊區域附近耗散，試件沒有出現明顯的整體變形。熱軋H型鋼柱試件表現出較好的延性和抗撞性能。

（2）在側向沖擊荷載作用下，邊界條件的改變對試件的沖擊力和沖擊時間均有顯著影響。固－簡約束邊界條件試件具有較低的沖擊力平臺值和較長的沖擊響應時間，而翼緣下支墊剛性平臺邊界條件試件則具有較高的沖擊力平臺值和較短的沖擊響應時間。

（3）同種邊界條件下的試件具有較穩定的沖擊力平臺值。試件抵抗沖擊荷載的能力并不因沖擊能量的不同而改變。沖擊時間的總體趨勢是隨著沖擊能的增大而延長。

（4）兩種邊界條件下試件的局部殘余變形和整體彎曲殘余變形均隨著沖擊能量的增大而增大，邊界條件的改變對于柱中變形的影響非常明顯。

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