開口冷彎厚壁型鋼軸壓構件抗震性能研究

付小超，李元齊，沈祖炎

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

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開口冷彎厚壁型鋼軸壓構件抗震性能研究

付小超，李元齊，沈祖炎

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

為研究開口冷彎厚壁型鋼構件在軸向滯回荷載作用下的抗震性能，首先選取了3根壁厚t>6 mm的冷彎內卷邊槽鋼進行軸向滯回試驗，然后建立相關的ANSYS有限元模型進行模擬計算，在與試驗結果對比的基礎上，選取了不同的腹板寬厚比(h/t=25～90)、繞弱軸長細比(λy=30～90)的構件進行參數化分析計算。研究結果表明：寬厚比、長細比是影響冷彎型鋼抗震性能的兩個主要因素，寬厚比(h/t)越大抗震性能越差，長細比(λy)越大抗震性能同樣也越差，設計時應盡量避免選擇長細比和寬厚比均較大的構件。

冷彎厚壁型鋼;滯回;抗震性能;寬厚比;長細比

建筑業是冷彎型鋼最主要的用戶，國外發達國家建筑業用冷彎型鋼已占其建筑用鋼的40%～70%[1]。當前，關于冷彎型鋼的研究側重的是冷彎薄壁型鋼(習慣上把壁厚不超過6 mm的冷彎型鋼稱為冷彎薄壁型鋼[2])，并取得了非常豐富的研究成果，很多國家制定了相關設計規范及標準。然而，隨著科技的發展，生產力水平的提高，冷彎厚壁(壁厚t>6 mm)型鋼的生產及應用也慢慢開始廣泛。目前，我國新的國家標準《冷彎型鋼結構技術規范》修訂工作正在進行，明確了新規范適用于0.6～25mm厚的冷彎型鋼，并且確定需要增加冷彎型鋼關于抗震性能的相關內容進入新規范。這些對冷彎厚壁型鋼的研究都提出了新的要求和挑戰。目前關于冷彎厚壁型鋼的研究，主要停留在冷彎強化效應、殘余應力分布及相應短柱軸壓試驗上[3-5]，而冷彎厚壁類構件的抗震性能研究未見報道，只有少量關于薄壁型鋼的抗震性能研究[6-9]。冷彎薄壁型鋼抗震性能的研究主要是軸向滯回[6]、壓彎滯回[7-8]和受彎構件滯回[9]的研究。由于研究對象均是薄壁型鋼，寬厚比較大，容易發生局部屈曲甚至畸變屈曲[6]，所以其表現出來的抗震性能不是很理想，研究結果表明：寬厚比、長細比、軸壓比是影響其抗震性能的主要因素。然而，厚壁型鋼力學性能與薄壁型鋼存在諸多差異，關于其抗震性能的研究尚未見報道，因此本文選取了3根壁厚t>6 mm的冷彎內卷邊槽鋼(C形鋼)進行軸向滯回試驗，然后建立相關的ANSYS有限元模型進行計算，在與試驗結果對比、驗證模型準確性的基礎上，選取不同寬厚比、長細比值進行參數化分析，以研究冷彎厚壁型鋼的抗震性能。

表1　試件設計參數

1　試驗概況

1.1試件選擇

綜合考慮現有試驗設備加載能力、試驗裝置空間限制、試驗成本等因素，本文選取了3根冷彎內卷邊槽鋼進行軸向滯回試驗，其截面形式及符號標注如圖1所示。

如表1所示，本試驗選擇表中3種規格的冷彎型鋼進行試驗研究，表中數據均為實測值。其中，λy為截面繞弱軸y的長細比，λym為實測母材屈服強度，其余符號意義見圖1。

1.2試驗裝置

本試驗在同濟大學建筑工程系結構試驗室進行，采用10 000 kN大型多功能靜電液壓伺服試驗裝置(MTS)，豎向壓10 000 kN、豎向拉3000 kN，有效行程±300 mm。上、下支座鉸接是通過銷鉸支座連接實現；軸向反復拉、壓荷載通過豎直千斤頂施加于試件截面的形心；加載時，水平千斤頂的水平位移保持不變，但其豎向位移跟動于豎向千斤頂，以模擬真實的鉸接，并防止試件側翻，保證安全。

1.3加載制度

[10]建議的加載制度，本試驗以位移控制為主，通過控制作動器豎向位移進行加載，加載控制分彈性、屈服兩個階段。具體采用如下加載制度：

(1)屈服前分3級，每級為±0.25Δy、±0.5Δy、±0.75Δy，每級位移循環1圈；

(2)屈服后每級為±Δy、±1.5Δy、±2Δy、±3Δy……，每級位移循環3圈，直至試件破壞或嚴重變形，結束加載。

Δy為全截面屈服位移，見表1。

2　試驗結果及分析

2.1試驗現象

試驗過程中，柱高中部變形最大，約加載到1Δy～1.5Δy時，柱中約1.5倍腹板高度范圍內的板件開始出現表層氧化鐵皮脫落現象，但各板件基本保持不變形，證明截面整體被壓縮進入屈服，這不同于薄壁構件試驗[6]的板件會在整體屈服之前局部屈曲、鼓曲，表面仍然光滑；查看此時的應變片讀數，柱高中部應變基本進入了塑性應變。約加載至2Δy之后，卷邊、腹板開始出現輕微變形，隨著位移繼續增加，其承載力開始下降，試件開始變形加劇，主要是整體彎向開口方向，卷邊方向受壓變形最厲害；到最終破壞時，卷邊處的自由邊凹進，翼緣略有外鼓，腹板由于受拉，未見明顯鼓曲。由于試件均是厚壁型鋼，寬厚比較小，不容易發生局部屈曲，所以試件在破壞過程中未見到明顯局部屈曲現象。

2.2試驗滯回曲線

將豎向往復荷載N和往復位移Δ記錄的數據繪制成荷載-位移滯回曲線，見圖2。由圖可看出，

三者滯回曲線均比較飽滿，荷載下降緩慢。對比文獻[6]試驗結果以及后文中有限元模擬的結果，發現冷彎厚壁型鋼軸向滯回曲線要飽滿的多，說明厚壁型鋼滯回性能優越。

對比試件C4-t12-L30-T和C4-t12-L50-T，兩者截面相同，只是長細比不同，長細比小的C4-t12-L30-T曲線飽滿程度大于長細比大的C4-t12-L50-T，耗能更好；且峰值荷載之后，長細比小的每級滯回圈下降的也慢，延性更好?？傊?，相同截面，長細比小的抗震性能更好。此處試件C4-t12-L50-T的滯回曲線滯回圈數過少，顯的不夠飽滿，主要原因是此試件是第一個做的試驗，對試驗機滯回加載掌控不足，導致其中有兩級位移加載過頭，超過控制位移。

對比試件C2-t8-L50-T和C4-t12-L50-T，兩者截面不同，但長細比、寬厚比均相同，可是C2-t8-L50-T包絡的面積遠小于C4-t12-L50-T的，主要是后者管壁更厚，承載力更高，所以耗能能力更強。

3　有限元模擬

3.1模型的建立

本文采用ANSYS有限元軟件進行參數化分析。選取SHELL181單元模擬槽鋼構件。鋼材選用Q235，屈服強度取名義屈服值fy=235mPa；選用雙線性隨動強化模型(BKIN)，彈性模量E=2.06×105MPa，切線模量E1=0.001E；泊松比v=0.3。在構件模型兩端添加端板和加勁肋，盡量模擬真實試驗情況。采用自由網格劃分，網格劃分尺寸為6 mm×9 mm。

3.2模型準確性驗證

有限元模型的正確性影響后續參數化分析的結果，是必要的前期工作，顯得格外重要。先用本有限元模型對上文中3個試驗構件進行模擬計算比較，發現無論是破壞模式還是滯回曲線，均與試驗結果吻合較好，說明該模型建立的比較合理、準確，可以用于后續參數化分析。

另外，由有限元的von Misses應力分布圖可看出，構件中部應力最大，達到了鋼材屈服值fy=235mPa，證明構件全截面進入屈服狀態，充分發揮了厚壁型鋼材料的力學性能。

3.3參數化分析模型選擇

在以上有限元計算模型準確基礎上，此處選擇2、4、8、12、16 mm的五種壁厚的冷彎型鋼用于參數化分析，具體尺寸規格見表2。表中，L為試件長度；Δy(=Ny·L/EA)為全截面屈服位移；λy為截面繞弱軸y的長細比，其余符號見圖1。

4　有限元結果分析

4.1滯回曲線

滯回曲線是分析試件抗震性能最主要的途徑，從曲線中可以提取骨架曲線、剛度退化、耗能系數、延性系數等非常多的參數進行抗震性能分析。通過ANSYS有限元模擬所得典型滯回曲線如圖3- 圖5所示，其中第一象限為受壓區，第三象限為受拉區。限于篇幅，此處只給出C1-t2、C3-t8、C5-t16三系列構件曲線圖。

由圖3-圖5明顯可看出滯回曲線是非對稱的，是由于構件拉、壓性能不一樣，導致荷載不對等。還發現，寬厚比影響滯回曲線的飽滿程度，如圖3中，腹板寬厚比h/t=90，屬于薄壁構件，發生了局部屈曲現象，受壓區提前失穩破壞，較受拉區荷載值小的多；圖5試件為小寬厚比(h/t=25)，未發生局部屈曲，其滯回曲線比圖3的要顯得飽滿多，抗震性能最優越；而寬厚比值相對居中的圖4構件(h/t=37.5)，滯回曲線飽滿程度介于上述兩者之間。長細比也是影響滯回曲線飽滿程度的一個主要因素，同一截面構件，長細比越大，越容易發生整體失穩，其滯回曲線越不飽滿，如構件C5-t16-L30與構件C5-t16-L90，雖然均未發生局部屈曲現象，但由于C5-t16-L90長細比較大，屬于長柱，較長細比小的短柱仍顯得不夠飽滿，抗震性能要差。

表2　模型規格尺寸

4.2骨架曲線

骨架曲線為滯回曲線，是各加載級第一循環的峰值點所連成的包絡線。將所有表2中構件有限元模擬所得滯回曲線提取骨架曲線，結果如圖6- 圖7所示。為便于不同截面比較，圖中骨架曲線坐標值均采用相對值，其中N、Ny分別為軸向荷載、全截面屈服荷載，Δ、Δy分別為軸向位移、屈服位移。

(1)長細比影響

圖6為寬厚比相同，但長細比不同情況下的骨架曲線。從圖6可看出長細比對構件抗震性能影響：相同截面不同長細比構件，其初始剛度相近；受壓區(第一象限)峰值荷載長細比大的構件小于長細比小的構件，并且峰值點后曲線下降速度略快，說明長細比大的構件存在整體失穩現象；受拉區(第三象限)峰值荷載大小與長細比無關，但峰值點后長細比大者曲線下降速度略快，說明往復的構件失穩破壞造成了構件損傷累積，受拉后期承載力也隨之降低。以上分析可看出，長細比對構件抗震性能影響較大，特別是對受壓區峰值較大，對受拉區峰值點基本無影響，但無論受拉還是受壓，長細比大者曲線下降均較快，延性降低，耗能能力減弱。

(2)寬厚比影響

圖7為長細比相同，但腹板寬厚比不同情況下的骨架曲線。從圖7可看出寬厚比對構件抗震性能影響：在相同長細比情況下，隨著寬厚比增加，骨架曲線的峰值點逐漸降低，特別是大寬厚比的構件，如C1-t2-90，峰值達不到屈服荷載，說明出現了局部屈曲，構件提前進入屈曲，承載力較低；而小寬厚比的構件，如C5-t16-30，峰值略微超過屈服荷載Ny，說明無局部屈曲現象，截面能夠進入塑性。

4.3剛度退化

剛度退化性能反應構件在地震荷載作用下后期抵抗變形的能力，本文采用同級變形下的環線剛度來描述試件的剛度退化，環線剛度的計算公式為：

圖8為長細比相同，但腹板寬厚比不同情況下的剛度退化曲線。由圖8可看出，隨著每級荷載位移的增加，切線剛度逐漸下降，其中前1～3級下降最快，之后趨于平緩，從圖6-圖8的滯回曲線上也可看出該下降趨勢；λy=30構件的切線剛度大于λy=60、90的，說明長細比越大的構件越容易失穩破壞，構件剛度后期下降迅速，抵抗變形能力減弱；在相同長細比前提下，如構件C1-t2-L30與C5-t16-L30，寬厚比越大的構件，其切線剛度越小，說明冷彎薄壁型鋼抵抗變形能力差，而厚壁型鋼好，不容易變形。

5　結論

1)通過3根開口冷彎厚壁型鋼的軸向滯回試驗證明了該類試驗的可行性，并且本文建立的有限元模型能較好模擬該類構件的滯回性能試驗。

2)寬厚比、長細比是影響冷彎型鋼抗震性能的兩個主要因素，寬厚比越大越容易發生局部屈曲，抵抗變形能力減弱，滯回曲線不飽滿，總體抗震性能越差；長細比越大越容易發生整體失穩，抗震性能同樣越差；工程應用中，盡量避免選用寬厚比、長細比均較大的構件。

3)厚壁冷彎型鋼總體抗震性能優越，全截面能進入屈服，滯回曲線飽滿，強度下降緩慢，延性好，抵抗變形能力強，可以考慮推廣到地震區使用。

參考文獻：

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(責任編輯李軍)

Research on the seismic behaviors of opening cold-formed thick-walled steel under the axial cyclic loading

FU Xiaochao, LI Yuanqi, SHEN Zuyan

(Department of Structural Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092)

In order to investigate the hysteretic behaviors of opening cold-formed thick-walled steel members under the axial cyclic loading, three cold-formed steel columns were tested. On the basis of compared with the test results, a finite element method (FEM) in ANSYS was established. The influence of width-thickness ratio (h/t) rang from 25to 90 for web and slenderness ratio about the weak axis y (λy) rang from 30 to 90 of such members were investigated by FEM. Analysis results indicated that the width-thickness ratio and the slenderness ratio about the weak axis y are the most important factors to affect the hysteretic behaviors. So, the cold-formed steels which with great width-thickness ratio (h/t) and great slenderness ratio (λy) should be avoided in designing, because they will lead to poor seismic performance.

cold-formed thick-walled steel; hysteretic; seismic performance; width-thickness ratio; slenderness ratio

2016-05-29

國家自然科學基金項目(51178330)

付小超(1983- )，男，江西樟樹人，博士，主要從事鋼結構、組合結構研究。

1673-9469(2016)03-0001-07

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.001

TU392.1

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