鋁合金樁腿極限承載力試驗研究

張建輝，徐 倩，邵 飛，趙術杰，任俊宏

（中國人民解放軍陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京210007）

鋁合金作為一種新型建筑材料，具有質量輕、外形美觀、耐腐蝕性好等特性。而鋁合金結構是采用鋁合金材料制造而成的結構，其基本構件的力學性能有很多在形式上與鋼結構相似，在現代結構設計中得到了越來越廣泛的應用，尤其是GB 50429-2007《鋁合金結構設計規范》的頒布更加推動了鋁合金在國內建筑結構中的應用。

6061-T6系列鋁合金樁腿主要是在海洋環境中進行使用，會受到上部荷載、風荷載以及海流荷載的影響，在使用過程中并沒用對樁腿的極限承載力進行過測定，本試驗的主要目的就是測定樁腿的極限承載力，并觀察樁腿的破壞形式。

1 試驗研究

1.1 試件規格

本次試驗試件的規格和孔洞的分布如圖1所示。試件的編號為Ⅰ-A-（1）-a，編號中的第一項為樁腿的序號，編號中的第二項為應變花的類型，根據應變花的不同布置進行編號，第三項對相應位置的應變花進行編號，第四項為單個應變花中水平應變片和豎直應變片的編號。

圖1 樁腿規格

1.2 結構試驗

在試驗進行前，為了取得更好的模擬實際情況，需要加工兩個構件和試件組裝在一起，如圖2所示。樁腿是放置在5 000 kN的壓力機上進行試驗的，壓力機的上部機構是可以進行上下移動的，可以適用于不同尺寸的構件。預加載階段，加載端用5 kN的力進行控制，豎直向上緩慢移動，使試件與壓力機的上部機構完全接觸。為了使樁腿兩端的試件與樁腿端部完全貼合，用了50 kN的力對樁腿進行了加載。

圖2 試驗構件模型

試件周圍的應變片、位移計布置如圖3所示，在試件的兩邊分別布置了兩個豎向位移計，用來測量試件豎直方向產生的位移，同時還布置了兩個水平位移計，用來測量試件的水平位移，在試件的孔洞出繪制切線，目的是在試驗結束后更直觀的觀察孔洞的變形情況。根據試驗前的模擬，在跨中的孔洞周圍粘貼應變花，用來測量孔洞周圍的變形情況，因為構件的孔洞是對稱的，所以需要在對稱面的孔洞處粘貼應變片。正式加載階段使用的是分級加載的方式，實驗結果見下表1.

圖3 測量儀器布置

2 有限元分析

本文采用有限元軟件ANSYS16.0對試驗結果進行了數值分析。模型所采用的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

模擬與試驗結果對比如表2.

表2 試驗結果與本文模擬結果對比

2.1 模型構建及網格劃分

為了構建模型的便捷性，先使用Solidworks構建出各個試件的模型，然后導入到Workbench中，根據實際情況設置好各個構件之間的接觸方式。劃分網格時，需要將孔洞周圍的網格進行細化，如圖4所示。

圖4 模型網格劃分

本文中材料的本構關系采用的是Ramberg-Os good模型，根據郭小農等[1]的研究，應力-應變的關系式如下所示：

式中：m是由試驗測定的參數，根據文獻[1]（國產結構用鋁合金材料本構關系及物理力學性能研究），取10m=f0.2，f0.2為構件殘余應變0.2%時的名義屈服強度。

2.2 數值模擬分析結果

通過試驗得到了兩根樁腿的極限承載力和破壞模式，所以數值模擬分析也主要是從極限承載力和破壞模式這兩個方面進行。圖5為兩根樁腿的試驗荷載位移曲線與模擬所得的荷載位移曲線對比。

圖5 荷載位移曲線對比

可以看出，模擬結果與實驗結果誤差在合理范圍內，并且模擬的破壞結果與試驗破壞結果相似，如圖6所示。

圖6 試驗結果與模擬結果對比

圖6 展示的是新樁腿試驗結果照片與模擬Mises應力云圖對比，可見試驗與模擬的破壞模式類似。

3 鋁合金樁腿極限承載力理論計算

目前，國內對鋁合金軸心受壓構件做過一定量的試驗研究，但大多數研究均集中在未開孔構件上。少數關于薄壁型鋼開孔構件的研究，其截面類型也集中于槽形和圓形截面[2-4]，開孔軸心受壓構件在GB50429-2007中也沒有相應的計算方法，因此，此部分的理論計算參考的是北美鋁合金規范。

開孔構件常用的理論計算方法通常有：有效寬度法、有效厚度法、等效體積法等。

因此，本文借鑒了北美鋁合金規范[5]的有效寬度的計算方法計算了鋁合金開孔圓管柱的

有效直徑（Deff），并對其極限承載力值進行了近似計算。

當λ≤ 0.673時，Deff＝D0-d

當λ＞0.673時：

式中：λ為構件的長細比；D0為鋁合金開孔圓管柱的內徑；d為開孔直徑。

承載力計算公式為：

式中：Ae為截面的有效面積（由截面的有效直徑計算所得）

Fn為名義上的屈服應力。

試件的規格如表3所示。

表3 試件規格

通過計算可得表4的計算結果。

表4 樁腿承載力理論計算驗證

可見套用北美鋁合金規范所得的計算結果與實驗結果較為接近。從表中可以看出，公式計算的數值結果要比模擬計算所得結果要小，表明該公式對于鋁合金樁腿極限承載力的計算滿足安全設計的要求，計算結果趨于保守，通過大量的有限元模擬可知，當樁腿的開孔直徑越大，計算結果越發趨于保守。

4 樁腿承載力影響因素分析

經過試驗得到了鋁合金管的極限承載力、屈曲模式及破壞形態等數據，但試驗中所研究的構件較少，為進一步研究鋁合金圓管柱開孔后的軸心受壓性能，通過大規模的實驗來獲取數據不顯示，所以采用有限元模擬的方法來進行探究。

4.1 開孔直徑

在研究過程中主要運用的是控制變量的方法，在保證鋁合金樁腿其它參數不變的情況下，改變孔徑，通過有限元模擬來觀察孔徑大小產生的影響，主要分析了孔徑為25 mm、35 mm、45 mm、55 mm和65 mm五種情況，模型的構建方法與前文類似，可以得到不同孔徑樁腿的荷載位移曲線，如圖7所示。承載力下降幅值如表4所示。

圖7 不同孔徑荷載位移曲線對比

表4 不同孔徑樁腿承載力下降幅值

圖中將無孔樁腿與開孔樁腿進行了比較，可見無孔樁腿的強度極限出現在開孔樁腿之前，主要原因是孔洞的存在影響了樁腿結構的連續性，但無孔樁腿的極限承載力要大于開孔樁腿?？梢钥闯鲭S著孔徑的增大，樁腿的極限承載力在逐漸的減小。

4.2 孔距

運用相同的分析方法，分析了孔距分別為100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm 和 200 mm幾種情況下的荷載變化情況，不同孔距荷載位移曲線對比如圖8所示，從圖8中可以得到表5中的承載力下降幅值。

圖8 不同孔距荷載位移曲線對比

表5 不同孔距樁腿極限承載力下降幅值

可以看出在改變孔距的情況下，樁腿的極限承載力在一定程度上出現了下降，但下降的幅值并不明顯。在一定范圍內，隨著孔距的增加，樁腿的極限承載力呈現上升的趨勢，原因是隨著孔距增加，孔洞在樁腿上分布的相對均勻，孔洞周圍的應力也隨之分布均勻，樁腿的極限承載力也逐漸上升。

5 結束語

本文對鋁合金樁腿的在軸心受壓作用下進行的試驗研究和有限元模擬，就其極限承載力、屈曲模式進行了討論和總結，并選用合理的理論模型進行了驗證，主要的研究成果和結論概括為以下幾個方面：

（1）由于構件存在孔洞，破壞了結構的連續性，降低了構件的極限承載力，改變了軸壓構件的應力分布，應力集中區域主要發生在孔洞周邊。

（2）孔洞的尺寸對開孔構件的極限承載力有較大的影響，開孔直徑約達，構件的極限承載力下降越快。

（3）當開孔數量較少時，孔洞的個數對于軸壓構件承載力的影響不顯著，但開孔位置均會產生應力集中的情況。

（4）開孔的位置，孔距的不同對構件的承載力也會產生較大的影響。