格構式鋼柱抗側向撞擊性能的試驗研究

崔娟玲，郭昭勝，王 蕊

（1.太原理工大學藝術學院，太原 030024；2.太原理工大學建筑與土木工程學院，太原 030024）

格構式鋼柱抗側向撞擊性能的試驗研究

崔娟玲1，郭昭勝2，王 蕊2

（1.太原理工大學藝術學院，太原 030024；2.太原理工大學建筑與土木工程學院，太原 030024）

格構式鋼柱常用于重型工業廠房的排架柱或高大的獨立支柱，此類構件使用環境復雜性，極易遭遇側向撞擊荷載作用。為探明格構式鋼柱的抗側向撞擊性能，利用DHR9401落錘式沖擊試驗機完成了6根格構式鋼柱側向撞擊試驗。試驗中利用動態應變儀記錄了不同沖擊能作用下格構式鋼柱的沖擊力時程曲線，并獲得了其殘余破壞形態和塑性變形量。結果表明：格構式鋼柱在側向撞擊荷載的作用下表現出良好的延性性能和抗沖擊性能，其殘余變形主要包括整體側向彎曲變形和撞擊部位的局部屈曲變形；其殘余變形的變化與沖擊能的變化呈線性關系。

格構式鋼柱；側向沖擊；沖擊能量；殘余變形

格構式鋼柱常作為截面高度較大的壓彎構件被用于重型工業廠房的框架柱或高大的獨立支柱。然而，由于工業建筑所處環境的復雜性，結構柱類構件在使用過程中可能遭受到各類非正常設計荷載，如廠區運輸工具對柱子的意外碰撞、起重機起吊重物作業時對柱子的偶然撞擊等。由于格構式鋼柱一般由若干肢件和綴板（材）組合焊接而成，一旦遭遇局部撞擊，必然引起截面各肢件內的應力重分布，其破壞機理相比實腹式結構更為復雜，損壞程度也將更為嚴重，極有可能造成巨大的生命財產損失。因此，對格構式鋼柱受到側向沖擊荷載作用時的性能研究顯得十分重要，進而對沖擊受損的格構式鋼柱的殘余承載性能的研究也必將成為熱點。

目前，國內外有關學者對鋼管混凝土梁柱、鋼筋混凝土梁柱、鋼－混凝土組合梁及鋼管節點等構件在側向沖擊荷載作用下的動力性能的研究已經較為成熟［1－4］。另可見少數關于鋼梁在沖擊荷載作用下的動力性能研究的報道。如Liu等［5－6］通過試驗研究了鋼和鋁合金梁受到橫向沖擊荷載作用下的破壞和變形特征。試驗中得出兩種破壞模式：拉伸撕裂破壞和剪切破壞，還發現在支撐點附近沖擊時梁的吸能能力增加，并考慮了材料應變率的影響。Li等［7］對中碳鋼合金梁在沖擊荷載下的響應和破壞進行了試驗研究，得到了沖擊速度為30～110m／s時的響應和破壞特征，并得到韌性拉伸斷裂失效到剪切帶失效的破壞模式過渡。魏薇等［8］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。霍靜思等［9］對4根熱軋H型鋼梁進行了落錘撞擊試驗。崔娟玲等［10］完成了12根熱軋H型鋼在側向沖擊荷載作用下的沖擊試驗，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。而對于格構式鋼柱在側向沖擊荷載作用下的動力響應尚未見相關報道。

本文采用太原理工大學自行研制的DHR9401落錘沖擊試驗機對6個兩端鉸接的格構式鋼柱試件進行了側向沖擊試驗，側向沖擊荷載針對鋼柱的一個分肢作用，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格構式鋼柱試件，可以繼續開展鋼柱剩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

綜合考慮試驗條件，本次試驗共設計了6個格構式鋼柱試件，試件的尺寸規格完全相同，所用鋼材材質均為Q235B，柱肢件規格為4L50×5，中間綴板采用80 mm×100 mm×5 mm，兩端綴板采用80 mm×150 mm×5 mm，鋼柱整體截面尺寸為180 mm×180 mm，鋼柱高度為1.44 m，上、下端板均采用20 mm厚方形鋼板，鋼板尺寸為220 mm×220 mm，上、下端板均與角鋼和綴板之間滿焊，角鋼和綴板之間亦為滿焊，端板上各設置4個螺栓孔（孔徑21.5 mm），便于與專用支座鉸接連接。試件的形式如圖1所示。

圖1 試件構造示意圖Fig.1 details of specimen

本次試驗采用鋼柱兩端鉸接的約束邊界條件，在相同邊界條件下考慮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T表示試件，第二位數字為序號，從T－3到T－8共6個試件，每兩個試件為同一沖擊能量水平，表1中未出現試件T－1與T－2，該兩試件為完好對比試件，用作受側向沖擊后的鋼柱殘余豎向承載力試驗研究，將另文報道。沖擊位置自上端板底邊算起，h為試件高度。

試驗支座采用Q345－B鋼材制作，立板上設有4個螺栓孔，通過4個10.9級M20高強螺栓與試件端板相連，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。

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

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，分別對角鋼和綴板各取兩個標準試樣，通過鋼材拉伸試驗測定鋼材的力學性能指標（見表2）。

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

本試驗采用太原理工大學自行研發的DHR9401落錘沖擊試驗機及試驗裝置完成，該設備由試驗機架、滑軌、卷揚機、落錘、沖擊力傳感器、TDS420A數據存儲示波器組成等主要部分組成。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203.9 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64 HRC的鉻15制成，重25.5 kg，沖擊頭為平頭，形狀及尺寸如圖2所示。本次試驗采用的沖擊加能量主要對應于低速沖擊，沖擊速度大體與廠區內車輛低速行駛或吊車起吊重物的運行速度相仿。（約10～15 km／h）。

圖2 沖擊頭形狀及幾何尺寸參數Fig.2 The shape and size of pounding head

圖3為試件現場安裝場景，鋼柱0.5 h高度處受沖擊點如圖4所示。試驗時將落錘中心的落點位置選擇在格構柱柱中的柱肢與綴板結合部位，且落在柱肢角鋼的形心線上，這樣可使沖擊能量經由綴板較為直接地傳遞至下部柱肢，使構件同時發生相對明顯的局部變形和整體撓曲變形，可為后續研究鋼柱殘余承載力提供技術條件。試驗觀測內容包括：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、后柱肢角鋼外邊緣的相對位置變化來考察試件的殘余變形情況。具體方法為：采用高度游標卡尺分別量測試驗前后各肢角鋼形心線上5個測點距離試驗剛性平臺的高差值（單位為mm），將沖擊試驗前后的兩次測量值作差，即得到鋼件殘余變形量，見圖4。

圖3 鋼柱兩端鉸接約束條件下的試件安裝實景Fig.3 The assembly diagram of test site of specimens

圖4 格構式鋼柱沖擊點位置Fig.4 The impact point of latticed Steel column

圖5 殘余變形量測點位置Fig.5 Themeasure point of residual deformation

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和圖7為6個格構式鋼柱試件殘余變形形態，其中黃色箭頭給出了沖擊方向和位置。可知側向沖擊作用下，試件發生了局部屈曲失穩變形和整體撓曲變形。格構式鋼柱試件受到落錘的側向沖擊時，角鋼1在形心處直接受到落錘的劇烈撞擊，著力點處發生凹陷，部分動能瞬間轉化為變形能，角鋼肢件吸收能量后傳向綴板，綴板受力后出現失穩，表現內向內側失穩或向外側失穩，并伴有輕度剪切變形，產生嚴重的平面外鼓曲（屈曲）。大部分沖擊能量在這一過程中被耗散，但仍有一部分能量通過綴板傳遞至角鋼4，導致試件發生一定程度的整體撓曲變形。

圖6 側向沖擊后鋼柱變形模式正視圖（受沖擊正面）Fig.6 Front view of deformationmodes of specimens （impacted frontage）

圖7 側向沖擊后鋼柱變形模式側視圖（受沖擊側面）Fig.7 Side view of deformation modes of specimens （impacted side face）

圖8為鋼柱中間截面的變形示意圖。直接受到落錘沖擊的角鋼分肢，水平肢件的肢尖相對肢根向下凹陷，綴板跟隨豎向肢件或外凸，或內凹，角鋼由原先的直角截面變為鈍角或銳角截面。外凸或內凹現象有一定的隨機性圖9（a）～圖9（c）圖分別為沖擊高度為0.5 m、0.7 m、1.1 m時，構件的局部屈曲破壞形態，可以看出，沖擊能量越高，肢件和綴板處出現的局部屈曲變形就越嚴重，經測量各試件受沖擊面及側面的最大凹凸變形量如表3所示。

圖8 試件中截面殘余變形示意圖Fig.8 Sketch map of residual deformation on specimensmiddle Section

圖9 試件局部殘余變形Fig.9 Local residual deformation of specimens

表3給出了沖擊試驗前后各肢件形心線中間測點下撓量（相對試驗剛性平臺而言）。可知相同沖擊能量作用下的兩個試件的測點下撓程度基本相當；沖擊能量越大，測點下撓量就越大。以肢1數據為例：1 000J對應的測點平均下撓值為10.08 mm，1 400J對應的測點平均下撓值為13.67 mm，2 200J對應的測點平均下撓值為24 mm，基本呈線性增長。

格構柱的四個肢件中，直接受到沖擊的肢1的下撓值最大，其下部的肢4的下撓值次之，約為肢1的45%，另外兩肢的數據則相對很小，絕對值在0.28～2.06 mm之間，且個別測點為上拱情況。這表明由于沖擊點偏離構件截面形心線75.4 mm（見圖4），造成構件在沖擊荷載作用下出現了輕微的截面扭曲現象，四個分肢在抵抗沖擊作用時發揮的作用大小不同。

試件T－5和T－8的沖擊能量最小，二者受撞擊處局部最大凹陷量分別為11.5 mm和11.5 mm。試件T－3和T－6的沖擊能量稍大，二者受撞擊處局部最大凹陷量分別為15.5mm和16.5mm。試件T－4和T－7的沖擊能量最大，二者受撞擊處局部最大凹陷量分別為27.5 mm和25.5 mm。可看出局部凹陷變形量隨沖擊能量的增大在增加，且同樣能量大小作用下的兩個試件的凹陷變形量基本相當，說明試驗具有較好的重復性。

表3 中間測點下撓量Tab.3 M easuring deflection under intermediate point

圖10給出了T－3、T－5、T－7肢件1形心上各測點在受到沖擊后的相對變形量，可知三種沖擊能量作用下，沖擊能量越大，相對變形量越大。試件均為跨中受沖擊部位下撓量最大，兩端受到支座的約束，變形值接近于0，不同能量下試件上測點2和測點4的下撓量相差較小，表明構件的變形損傷分布在一定長度范圍內。

圖10 肢件1上測點的相對變形量Fig.10 The relative deformation ofmeasuring points on limb

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，并伴有輕微的截面扭曲現象，沖擊能量和變形的關系基本呈線性。應注意到，同樣能量下的試件變形數據存在差異，究其原因，包括測量誤差、落錘的實際沖擊位置不嚴格落在標記的中心線上，試件本身的材質不均勻和試件本身的加工制作誤差等。

2.2 沖擊力時程曲線

圖給出了沖擊試驗獲得的試件沖擊力時程曲線。各試件的沖擊力時程曲線沿時間軸基本上都表現為5個階段，即：第一峰值段、第一下降段、峰值段、平臺段、下降段，具有較明顯的特征，但在不同沖擊能量的作用下，曲線在各階段表現出不同的特點。

第一峰值段：在開始階段，落錘與試件突然接觸，二者之間的接觸力瞬間上升并達到沖擊力峰值，這一點對于不同沖擊能量作用下的試件都是一致的。

第一下降段：各試件受到落錘的沖擊后，被沖擊區瞬間發生塑性擠壓變形，這一點可從肢件1著力點處的沖擊壓痕看出，該集中受力區域的金屬材料在極短的時間內屈服－強化－流塑，剛度下降，消耗了一小部分動能，落錘沖擊力最低衰減為第一次峰值的約25%～35%。該階段的時間很短，約1.0～2.0ms

第二峰值段：在前一階段的局部金屬受沖壓變形后，此時還有大部分的動能未被耗散，試件以肢件和綴板的局部屈曲變形和整體撓曲變形來耗散這部分能量，在此過程中出現了第二次峰值。兩次峰值大小相近，但對沖擊能量小的試件，該峰值略高于第一次峰值，如試件T－5、T－8，對沖擊能量大的試件，該峰值略低于第一次峰值，如試件T－4、T－7，

平臺段與下降段：經歷過第二次峰值后，肢件及綴板發生大變形消耗沖擊能量的同時，落錘與試件速度逐漸降低，沖擊力經歷短暫的平臺值后持續降低，這與試件發生嚴重的屈曲變形有關。對沖擊能量小的試件，平臺段不很明顯，如試件T－5、T－8，對沖擊能量大的試件，平臺段相對明顯，如試件T－4、T－7。總體大約經過15～25 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。

本文沖擊力時程曲線的變化規律與Fujikake等［11］試驗得的曲線變化規律基本一致，證明了本試驗的有效性。

表4 試件的沖擊力測量結果Tab.4 Themeasured results of specimens

表4給出了試件在不同沖擊能量下的試驗結果。在側向沖擊下，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，但差異不很明顯。試件的沖擊時間最小為16.67 ms，最大為23.51 ms，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。由于6個格構式鋼柱試件的幾何參數、構造形式及約束邊界一致，故其沖擊力平臺值變化不大，穩定在52.44～57.18 kN之間。

圖11 試件在側向沖擊下的沖擊力時程曲線Fig.11 The time history curves of impact force for specimens

2.3 側向沖擊作用下格構柱抗沖擊性能初步分析

由表4試驗結果可知，不同沖擊能量作用下，相同邊界條件下的試件具有較穩定的沖擊力平臺值，沖擊力峰值變化幅度也不大，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。根據構件變形損傷可知，沖擊能量主要由肢件1和肢件4及兩肢件之間的豎向綴板的變形消耗。將鋼柱視為兩端鉸接的簡支梁，并分別將沖擊力平臺值的平均值54.27 kN和沖擊力峰值的平均值94.96 kN作為跨中集中荷載按靜載形式加到格構式試件上時，可分別求得靜載作用下截面邊緣的應力為298.3 MPa和521.9 MPa。此計算用到的截面慣性矩I取肢件1和肢件4及兩肢件之間的豎向綴板的組合截面繞中軸的慣性矩。可知沖擊力平臺值對應的截面邊緣應力298.3 MPa約等于表2中的鋼材屈服強度試驗值，而沖擊力峰值對應的截面邊緣應力521.9 MPa已明顯超過表2中的鋼材抗拉（壓）強度試驗值，這就說明了本次試驗所采用的沖擊能量下，受沖擊部位的構件鋼材出現屈服、流塑，局部材料瞬間強化，并達到極限抗拉（壓）強度，表現為沖擊點處的局部變形和整體彎曲變形的耦合。因此，對于沖擊荷載作用下的鋼柱試件，由于所施加的沖擊能量和沖擊速度不同，需要各自以不同的沖擊作用響應來保持平衡狀態，從而避免發生破壞，鋼柱雖經歷了很大的變形，但焊縫和肢（板）件均保持完好，未發生撕裂破壞，試件端部保持完好且未產生明顯局部變形。在本文試驗參數范圍內，格構式鋼柱均表現出良好的抗沖擊性能。

3 殘余變形與沖擊能量的關系

圖12給出了試件受沖擊肢的局部殘余變形（局部凹陷量）與整體殘余變形（整體下撓量）與沖擊能量的相關關系直方圖，局部凹陷量和整體下撓量取同一沖擊能量下兩個試件的試驗平均值。可以看出，鋼柱殘余變形均隨著沖擊能量的增大而增大，且基本呈線性增大規律。

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

4 結 論

本文進行了6根兩端鉸接格構式鋼柱試件，在3種不同沖擊能作用下的側向撞擊試驗，在本文研究的參數范圍內得到了以下一些結論：

（1）在側向撞擊荷載作用下，格構式鋼柱試件除了產生明顯的局部殘余變形，還產生了一定量整體側向彎曲殘余變形；受撞擊區域的角鋼水平肢件出現了嚴重的局部凹陷（屈曲），豎向肢件也發生了嚴重的局部凹陷或凸出，部分沖擊能量在沖擊區域附近被耗散，部分沖擊能量以試件整體變形被耗散。格構式鋼柱試件表現出較好的延性和抗撞性能，沒有出現焊口處的脆斷現象。

（2）格構式鋼柱試件具有較穩定的沖擊力平臺值，沖擊能的變化對其平臺值的影響較小。但沖擊力峰值與沖擊的時間隨著沖擊能量的增大而增加。

（3）本試驗工況下，沖擊能對構件殘余變形影響顯著。其局部殘余變形和整體彎曲殘余變形均隨著沖擊能量增大，且成線性關系。

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Tests for dynam ic behavior of a latticed steel column under lateral im pacts

CUIJuan-ling1，GUO Zhao-sheng2，WANGRui2
（1.College of Arts，Tai Yuan University of Technology，Tai Yuan 030024，China；2.College of Architecture and Civil Engineering，Tai Yuan University of Technology，Tai Yuan 030024，China）

Lattice steel column is commonly used in tall detached columns or bent frame columns of heavy industrial workshop building，it is easy to bear lateral impacts under complex environments.In order to study the performance of a latticed steel column's anti-lateral impact，six latticed steel column specimens were tested under lateral impact with a DHR9401-Drop-Weight-Impact-Tester.Their impact force time-histories and residual deformations were recorded during test courses.With the test data，the dynamic behaviors of the steel columnswere analyzed and discussed.The results showed that the latticed steel columns have good anti-impact ability and ductility under lateral impacts；their residual deformations include the overall lateral bending deformation and the local buckling deformation at the impacted position；the variation of their residual deformationswith impact energy reveals a linear relation.

latticed steel column；lateral impact；impact energy；residual deformation

TU392.1；V216.5+5

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.023

太原理工大學2013年校青年基金（2013Z038）；國家自然科學基金項目（51408395）

2015－02－06 修改稿收到日期：2015－05－06

崔娟玲女，碩士，講師，1978年生

王蕊女，副教授，1979年生