組合工字鋼結構鋼梁受力性能試驗研究與分析

任軼蕾,石鑫朔,任小強,孟蕾,王森林

組合工字鋼結構鋼梁受力性能試驗研究與分析

任軼蕾1,2,石鑫朔1*,任小強1,2,孟蕾1,王森林1,2

1. 河北農業大學土木工程系, 河北 保定 071000 2. 河北農業大學工程結構實驗室, 河北 保定 071000

為解決輕鋼結構螺栓連接節點現場施工較難定位安裝的問題，本文對自攻螺釘連接的組合工字鋼鋼梁進行了受力性能試驗，研究了不同自攻螺釘間距對鋼梁極限承載力和撓度變形的影響，分析了組合工字鋼在實際設計過程中的抗彎剛度等效系數問題，并采用ABAQUS有限元分析軟件對試驗過程進行了數值模擬分析，分析結果驗證了試驗的有效性。研究結果表明，自攻螺釘間距對組合工字鋼結構鋼梁的極限承載力影響不大，而對撓度變形有一定影響，自攻螺釘呈現剪切破壞。

鋼結構梁; 受力性能; 試驗與分析

隨著我國鄉村振興計劃的實施，在美麗鄉村建設過程中，農村低層輕鋼結構裝配式住宅得到了更為廣泛的應用[1]。低層輕鋼結構住宅相對于多高層鋼結構住宅發展較為成熟，產業化程度較高[2,3]。

輕鋼結構住宅體系梁柱構件多選用H型鋼、方鋼管等截面形式，梁柱連接節點常采用螺栓連接[4]。螺栓連接節點形式對螺栓孔定位精度要求較高，由于施工中存在累計安裝誤差，螺栓連接節點在鋼構件安裝時會有較大難度。張長彬提出一種T型鋼通過自攻螺釘連接的組合工字鋼結構形式[5]，自攻螺釘安裝簡單快捷，可有效提高鋼結構的施工進度。康子恒對T型鋼連接的組合工字鋼結構的梁柱節點進行了試驗研究，并建立了節點的彎矩-轉角數學表達式，但未考慮組合工字鋼構件的力學性能[6]。

如圖1所示，組合工字鋼結構是兩個截面大小不同的T型鋼通過自攻螺釘快裝而成，其中小T型鋼翼緣和內嵌墻板中的鋼龍骨在工廠焊接成整體墻板，小T型鋼和大T型鋼在施工現場通過自攻螺釘連接組成組合工字鋼柱。

圖 1 組合工字鋼

T型鋼連接的組合工字鋼結構截面雖然同工字鋼、H型鋼類似，但組合工字鋼腹板厚度不一，力學性質較為復雜。為研究組合工字鋼結構的受力性能，本文對組合工字鋼梁構件進行了靜力試驗研究，采用有限元方法對試驗進行了數值模擬，分析結果可用于實際設計施工使用。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為研究自攻螺釘間距對組合工字鋼結構受力性能的影響，本次試驗共設計3個試件。T型鋼由熱軋焊接型鋼切割形成，大T型鋼截面尺寸為149×149×5.5×8（mm），小T型鋼截面尺寸為120×70×4.75×4.75（mm），自攻螺釘選用直徑為8 mm的SWCH22A反滑齒鉆尾絲，自攻螺釘間距分別為300 mm、400 mm和500 mm，試件參數如表1所示。

表 1 試件參數

表注：ZHZ表示組合工字鋼鋼梁，300表示自攻螺釘間距為300 mm，其余類同。

表Note: ZHZ stands for composite I-steel beam, 300 stands for self-tapping screw spacing of 300 mm, and the rest are similar.

1.2 材料性能

T型鋼材質為Q345B鋼材，自攻螺釘為SWCH22A反滑齒鉆尾絲。材性試驗符合《金屬材料拉伸試驗方法》GB/T228.1-2010和《金屬材料線材和鉚釘剪切試驗方法》GB/T 6400-2007標準，自攻螺釘和鋼材的主要力學性能指標見表2。

表 2 材料性能

1.3 加載裝置

試驗在河北農業大學工程結構實驗室進行。試驗加載裝置有反力架、30 t液壓千斤頂、DH3816靜態應變測試系統、ZS1240-Y30壓力傳感器、ZS-1100一維位移傳感器等。

組合工字鋼鋼梁擱置在刀口鉸上，刀口鉸通過螺栓與反力架鋼梁固定。利用液壓千斤頂在鋼梁跨中位置對試件進行豎向加載，加載裝置如圖2所示。

圖 2 加載裝置

為了觀測鋼梁撓度變化，在組合工字鋼梁跨中上翼緣布置一個豎向位移計，在鋼梁下翼緣四分點位置中間三點處各布置三個豎向位移計。在小T型鋼腹板自攻螺釘孔上部附近布置應變片。

1.4 加載制度

為檢驗試驗設備是否可靠，保證試件各部分接觸良好并能進入正常工作狀態，在試驗開始前首先對組合工字鋼鋼梁進行預加載處理，預加荷載值為預估極限荷載的20%。

正式加載采用分級加載方式，每級持荷時間為2 min，待試件趨于穩定時觀察試驗現象并記錄試驗數據。

加載方式分為力控制加載和位移控制加載兩階段。自加載開始至預估極限承載力80%時，每級荷載取預估極限荷載的5%；然后為位移加載，位移增量為2 mm，直到試件破壞，試驗結束。

2 試驗現象

試件ZHZ-300在初始加載階段受力性能較好，未見異常現象。隨著荷載不斷增加，鋼梁跨中撓度逐漸增大，跨中自攻螺釘出現傾斜現象。當加載至40 kN左右時，上部小T型鋼撓度相對于下部大T型鋼撓度變形較大，腹板出現錯位現象，跨中自攻螺釘向上傾斜，而兩側自攻螺釘則向下傾斜。當加載至67 kN時試件時，試件出現異響，跨中自攻螺釘剪斷，試驗結束。這是由于簡支梁在跨中集中荷載作用下，跨中位置剪力突變，自攻螺釘剪切破壞。試件ZHZ-300試驗結果如圖3所示。

圖 3 試件ZHZ-300

試件ZHZ-400的試驗結果如圖4所示，試件ZHZ-400和試件ZHZ-500試驗現象與結果類似。在初始加載階段受力性能較好，未見異常現象。隨著荷載不斷增加，鋼梁跨中撓度逐漸增大，自攻螺釘出現傾斜現象，試件兩側自攻螺釘傾斜現象稍明顯。當荷載分別加至66 kN和63 kN時，試件發出異響，此時兩組試件最外側自攻螺釘分別出現剪切破壞現象，試驗結束。ZHZ-400和試件ZHZ-500中自攻螺釘數目為4個，跨中位置沒有布置自攻螺釘，試件最外側兩端處螺釘位于支座上方，此處自攻螺釘剪切破壞。

圖 4 試件ZHZ-400

3 結果與分析

試件的極限荷載和撓度試驗結果如表3所示。從表中可看出，隨著自攻螺釘間距的增加，極限破壞荷載隨之減小，而跨中撓度隨之增大。自攻螺釘間距對組合工字鋼鋼梁的極限承載力影響不大，對跨中撓度有一定影響。

表 3 試驗結果

試件的荷載－位移曲線如圖5所示，從圖中可看出，三個試件荷載位移曲線變化規律基本相同。試件從初始加載至臨界破壞階段，荷載位移曲線均為線性比例關系，而且自攻螺釘間距影響較小。當荷載臨近試件的極限承載力時，荷載位移曲線曲線呈入非線性關系。

圖 5 荷載－位移曲線

4 組合工字鋼截面性質分析

組合工字鋼腹板厚度不一，給實際設計應用帶來一定難度。由于組合工字鋼外形同H型鋼類似，可采用修正H型鋼抗彎剛度系數的方法進行截面設計。利用簡支梁在跨中集中荷載作用下撓度計算公式，根據撓度相等原則可計算得到得到組合工字鋼抗彎剛度修正系數。

抗彎剛度修正系數計算結果如表4所示，從表中可看出，組合工字鋼的等效抗彎剛度為相同截面尺寸的H型鋼抗彎剛度的50%左右。隨著自攻螺釘間距的增大，組合工字鋼的等效抗彎剛度修正系數減小，自攻螺釘間距對組合工字鋼的等效彎曲剛度影響較為明顯。

表 4 抗彎剛度修正系數

5 有限元分析

5.1 分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件對組合工字鋼鋼梁試件進行建模，分析單元均選用C3D20R單元，模型材料參數見表2。考慮材料非線性問題，組合工字鋼的本構關系曲線采用含屈服臺階的多段線模型。同時考慮接觸非線性，模型中自攻螺釘和螺孔、大小T型鋼腹板間均定義為面接觸。有限元分析模型的邊界條件及荷載同試驗一致。

5.2 應力分析結果

圖6為試件ZHZ-300承受極限承載力時的應力云圖。從圖中可看出，組合工字鋼鋼梁支座處和自攻螺釘附近出現了應力集中現象，鋼梁跨中自攻螺釘周圍應力集中現象較為明顯，最大應力出現在跨中自攻螺釘螺桿處，且呈剪切破壞現象。自攻螺釘的Von Mises等效應力最大值為1516 MPa，超過了自攻螺釘抗剪強度。有限元分析結果同試驗結果相符。

圖 6 ZHZ-300應力云圖

試件ZHZ-400和ZHZ-500的有限元分析結果相似，ZHZ-400承受極限承載力時的應力云圖如圖7所示，由于跨中位置沒有布置自攻螺釘，鋼梁兩端螺釘位置應力集中現象較為明顯。最大應力出現在鋼梁兩端自攻螺釘螺桿處，且呈剪切破壞現象。自攻螺釘的Von Mises等效應力最大值為1 272 MPa，超過了自攻螺釘抗剪強度。有限元分析結果同試驗結果相符。

圖 7 ZHZ-500應力云圖

三個試件跨中荷載－位移曲線有限元分析結果如圖8所示，有限元分析結果中荷載－位移曲線的變化趨勢同試驗結果相似，但有限元分析結果中初始斜率和極限承載力均高于試驗值。這是因為材料屬性在實際中并不是完全理想狀態，而且在試件安裝過程中存在安裝誤差。

（a）ZHZ-300（b）ZHZ-400（c）ZHZ-500

6 結 論

（1）組合工字鋼鋼梁受力試驗結果表明，T型鋼受力性能良好，自攻螺釘呈剪切破壞。跨中布置自攻螺釘，則跨中自攻螺釘剪切破壞，跨中不布置自攻螺釘，則鋼梁支座處自攻螺釘呈剪切破壞；

（2）隨著自攻螺釘間距的增加，極限破壞荷載隨之減小，而跨中撓度隨之增大。自攻螺釘間距對組合工字鋼鋼梁的極限承載力影響不大，對跨中撓度有一定影響；

（3）組合工字鋼的等效抗彎剛度為相同截面尺寸的H型鋼抗彎剛度的50%左右。隨著自攻螺釘間距的增大，組合工字鋼的等效抗彎剛度修正系數減小，自攻螺釘間距對組合工字鋼的等效彎曲剛度影響較為明顯。

[1] 王建軍,袁驥,郭向勇,等.農房現狀及輕鋼結構在農房建設中應用情況調查[J].吉林建筑大學學報,2020,37(1):23-30

[2] 周緒紅,王宇航.我國鋼結構住宅產業化發展的現狀、問題與對策[J].土木工程學報,2019,52(1):1-7

[3] 高思慧.我國鋼結構住宅產業化發展研究[D].北京:北京交通大學,2020

[4] 褚少輝,趙士永.村鎮裝配式輕鋼結構體系研究[J].建筑科技,2020,401(2):42-45

[5] 張長彬,張少華.一種T型鋼連接的墻體及其建筑房屋,中國:CN201820500694.9[P].2018-11-02

[6] 康子恒,王森林,杜喜凱,等.T形鋼連接半剛性梁柱節點受力性能研究[J].建筑結構學報,2020,41(S1):44-54

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.鋼結構設計標準GB50017-2017[S].北京:中國建筑工業出版社,2017

[8] 康子恒.組合工字鋼梁柱節點試驗研究及結構受力性能分析[D].保定:河北農業大學,2021

[9] 陳雷雨,丁克偉.一種新型裝配式半剛性梁柱節點力學性能的研究[D].合肥:安徽建筑大學,2018

[10] 李旋,郭耀杰,吳東平,等.加勁肋對齊平端板半剛性節點力學性能影響[J].建筑結構,2019,49(6),102-107

Experimental Study and Analysis on Mechanical Properties of Composite I-steel Beam

REN Yi-lei1,2, SHI Xin-shuo1*, REN Xiao-qiang1,2, MENG Lei1, WANG Sen-lin1,2

1.071000,2.071000,

To solve the problems thatthe steel structure housing system meets the requirements of environmental protection and sustainable development. Light steel structure has more advantages, such as low weight, simple structure, fast construction speed, and more importantly, low price. As an environment-friendly product, it has been widely used in infrastructure construction. In this paper, the material mechanical properties of combined I-beams are obtained through static test on beams and columns of combined I-beams made of T-section steel connected by tapping screws, providing experimental and theoretical basis for the research of combined I-beam light housing systems. In the experiment, the ABAQUS, a finite element analysis software, was used to simulate its force performance to verify the validity of the model, and then perform parameter analysis on this basis. In this experiment, domestic and foreign light steel structure research results, practical engineering applications, and various patents have been fully referenced, and the basic materials have been selected reasonably to test the beam-column specimens connected by tapping screws and the single frame system. Through data analysis, the load-displacement curve and the failure mechanism of the component is clarified and the influence of various factors on the performance of the test piece is comprehensively analyzed. Then the design method of the light housing systems connected with combined I-beam made of tapping screws and corresponding technical regulations is determined, thus promoting the development of prefabricated light steel structure housing.

Steel structure beam; force performance; experment and analysis

TU392.5/TU323.3

A

1000-2324(2022)02-0320-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.021

2021-11-01

2021-12-27

河北省自然科學基金項目(E2020204031)

任軼蕾(1967-),女,碩士,副教授,主要從事建筑結構工作. E-mail:ryl_111@126.com

Author for correspondence. E-mail:sxsyx2022@163.com