側向撞擊后格構式鋼柱剩余力學性能試驗研究

張國平

（中鐵建設集團有限公司，北京 100040）

0 引言

格構式鋼柱具有自重輕、抗扭性能好與穩定性高的優點，常用于工業廠房的承重柱。因此，在使用過程中可能會遭遇起吊物或廠房內運行車輛等撞擊荷載作用，引起鋼柱發生局部或整體變形，造成其承載力降低。而受撞后剩余承載力是判斷構件能否繼續使用的關鍵指標。

目前，已有相關學者對爆炸或撞擊作用后構件剩余力學性能進行了系列研究，田力等［1］、王路明［2］、丁陽等［3］基于剩余承載力分別提出了鋼筋混凝土柱、鋼管混凝土柱與鋼柱的損傷評估準則。錢藍萍等［4］進行了相同軸壓承載力的鋼筋混凝土方柱、方鋼管混凝土柱與方鋼柱撞擊后剩余承載力數值分析，結果表明，撞擊質量一定的前提下，撞擊速度是影響框架柱剩余承載力的主要因素；相同撞擊速度下，鋼筋混凝土柱剩余承載力最小。Chen等［5］進行了48根方鋼管撞擊后軸壓試驗，研究發現，隨著撞擊能量的增加，剩余軸向承載力最大下降可達21%，撞擊位置和寬厚比對方鋼管的殘余軸向承載力影響并不明顯。王蕊等［6］、白燕［7］、Zhao Hui等［8］先后進行了13個H型鋼撞擊后軸壓試驗以及有限元分析，研究結果表明，撞擊造成的局部屈曲位置為構件薄弱部位，繼續承載時，該部位翼緣與腹板分別發生嚴重扭曲與側向鼓曲，構件破壞形式為整體失穩破壞；H型鋼剩余承載力主要與跨中整體變形有關，兩者關系為線性負相關。目前尚無格構式鋼柱受撞后剩余力學性能的相關研究。

為此，本文以文獻［9］撞擊后的6個受損格構柱以及2個完整試件為研究對象進行了靜力軸壓試驗與有限元分析。主要分析了試件的破壞形態、極限承載力與破壞截面附近角鋼應力應變發展并提出了剩余承載力預測公式。

1 試驗概況

1.1 試件基本信息

本文共進行了8個四肢角鋼綴板連接組成的格構式鋼柱承載力試驗，其中有6個受損試件、2個完整試件，試件高度H與寬度B分別為1 400 mm與180 mm。試件參數與具體尺寸見表1與圖1。圖2給出了試件受撞擊后局部變形δ與整體變形Δ示意圖，其中w1與w4分別為肢件1與肢件4的變形。

表1 試件參數Table 1 Parameters of specimens

圖1 試件詳細尺寸Fig.1 Detailed size of specimen

圖2 局部與整體變形Fig.2 Local and global deformations

1.2 剩余力學性能試驗

1.2.1 試驗裝置

本次試驗采用太原理工大學結構實驗室中500 t電液伺服壓力機完成，試驗裝置見圖3。通過刀鉸與加載板對試件進行加載，安裝試件時，將刀口鉸的刀口與加載板的中心線對齊，刀口鉸板與加載板之間使用高強灌漿進行找平。在跨中與壓力機上下頂板處安裝位移計用于測量試件側向位移與軸向位移。試驗開始前在試件截面A、B與C處布置應變片，具體布置如圖4所示。

圖3 試驗裝置Fig.3 Test devices

圖4 應變片布置Fig.4 Position of the strain gauges

1.2.2 加載制度

正式加載前，對試件進行預加載，以減小接觸面空隙的影響。加載前期采用荷載分級加載控制模式，以40 kN為一級，當荷載達到120 kN時轉為位移加載控制，加載速率約為0.03 mm/min，直至試件破壞。

2 試驗結果與分析

2.1 破壞形態與極限承載力

2.1.1 完整試件

圖5給出了試件U-W1與U-W2的破壞形態。兩個試件破壞部位均在上柱頭位置。試驗加載初期，試件無明顯變化，當荷載達到最大值時，受壓側柱肢出現屈曲特征，試件側向變形顯著增大，最終發生整體失穩破壞。

圖5 完整試件破壞形態Fig.5 Failure mode of undamaged specimens

完整試件的荷載—位移曲線如圖6所示，曲線可分為三個階段。階段一：荷載從0增加至200 kN左右時，荷載與軸向位移基本為線性關系，此時鋼柱處于彈性階段，跨中側向位移基本無變化。階段二：當荷載超過200 kN后，荷載—軸向位移曲線逐漸趨于平緩，此時鋼柱進入彈塑性階段。階段三：荷載繼續增加至最大值后，軸向位移與側向位移急劇增大，鋼柱進入塑性階段。

圖6 荷載—位移曲線Fig.6 Load-displacement curves

完整試件U-W1與U-W2的試驗結果見表2，試驗結果離散型較小，并且試驗所得的極限荷載與采用《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）［10］計算的理論值差值在5%以內。

表2 完整試件試驗結果Table 2 Test results of undamaged specimens

2.1.2 受損試件

圖7為受損試件的破壞形態圖。試件跨中受撞柱肢成為其薄弱部位，由于受撞側柱肢發生局部屈曲，受壓過程中，受撞側屈曲逐漸增大，當荷載達到最大值后，荷載急劇下降，試件最終破壞形態呈“V”字形。

圖7 受損試件破壞形態Fig.7 Failure mode of damaged specimens

受損試件的荷載-軸向位移曲線以及荷載-側向位移曲線如圖8所示，曲線同樣也分為三個階段：彈性、彈塑性與塑性階段，與完整試件的荷載-位移曲線相比，受損試件的彈塑性階段較短，破壞具有突然性。

圖8 荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves

表3為受損試件位移與承載力試驗結果，三組受損試件的極限承載力隨著損傷程度增大而減小。相比完整試件，損傷試件達到極限承載力的軸向位移較小，跨中側向位移較大，試件表現出壓彎破壞的性質。

表3 受損試件試驗結果Table 3 Test results of damaged specimens

2.2 應力應變分析

本文選取各組試件破壞位置附近的角鋼位置處應變片進行分析，即完整試件的A截面與受損試件的B截面。圖9給出了各位置處應變片數據，其中A-1代表A截面處1號應變片，應變受拉為正受壓為負。可以看出，在加載前期，完整試件四肢應變發展基本一致且均為負值，表明截面均勻受壓，當應變達到400 με左右時，試件由軸壓過程轉變為壓彎過程，此時應力約為100 MPa，之后隨著荷載繼續增加，各肢件應力應變發展出現差異，受壓側應變發展明顯快于受拉側。當發生明顯彎曲變形后未受損側應變值減小，并逐漸由受壓狀態轉變為受拉狀態。受損試件在加載過程中受撞側始終為壓應變，另一側為拉應變。受撞柱肢的應變發展明顯快于其他肢件，這與撞擊位置處的剛度減小有關。隨著損傷程度的加大，試件破壞時達到的極限壓應力逐漸減小，但都小于材性試驗所測得的290.1 MPa，表明試件破壞形式為失穩破壞。

圖9 應力-應變曲線Fig.9 Stress-strain curves

3 剩余承載力評定

鋼柱被撞產生局部損傷后，需要對其承載力進行鑒定，以確定其能否正常使用或拆除。通過本文試驗研究發現：格構式鋼柱撞擊后的殘余變形是影響其剩余承載力的重要因素，本文采用周云龍等［11］建議的無量綱參數δR=δ/i與ΔR=Δ/i對撞擊后格構柱剩余承載力進行評估，其中δ與Δ分別為撞擊后產生的局部與整體變形；i為鋼柱截面回轉半徑。建立剩余承載力系數與相對變形的關系為np=-1.43δR-0.84ΔR+0.95，同時表4給出了公式預測結果，可以看出，公式可較好預測格構式鋼柱受撞后剩余承載力。

表4 受損試件的相對變形與剩余承載力系數Table 4 Relative deformations and residual bearing capacity coefficient of damaged specimens

4 有限元分析

4.1 有限元模型建立與驗證

運用ABAQUS有限元分析軟件對軸壓靜載試驗過程進行有限元分析，模型建立主要分為兩步：①采用動力顯示分析步建立格構式鋼柱側向撞擊模型；②運用“Restart”和“Import”命令將撞擊結果導入軸壓靜載模型中，實現軸壓前撞擊損傷的施加。模型中鋼材應力應變關系采用五段線模型；綴板與角鋼之間采用“Tie”綁定；網格尺寸為10 mm。圖10與表5分別為破壞形態與剩余承載力對比，可以看出，該有限元模型可以較好地模擬格構式鋼柱撞擊后的剩余力學性能。

表5 試驗與模擬結果對比Table 5 Comparison between test and FE results

圖10 破壞形態對比Fig.10 Comparison of the failure mode

4.2 參數分析

本節在模型可靠性得到驗證的基礎上對側向撞擊后格構式鋼柱剩余力學性能進行參數分析。表6與圖11分別為側向撞擊下的試件變形以及軸壓比對試件剩余承載力的影響趨勢，隨著軸壓比的增大，構件剩余承載力逐漸降低。這主要是由撞擊過程中軸壓力的P-Δ二階效應引起。圖12為模型計算結果與式（1）計算結果的誤差對比，可以看出，該公式具有較好的預測效果。格構式鋼柱剩余承載力的大小受撞擊產生的局部與整體變形大小的直接影響。這主要是因為局部變形造成了截面抗彎剛度降低以及整體變形加劇了P-Δ二階效應，降低了試件承載力。

圖11 軸壓比對剩余承載力的影響Fig.11 Effect of axial ratio on residual capacity

圖12 公式與有限元計算結果對比Fig.12 Comparison between formula and FE results

表6 模型計算結果Table 6 Results of FE models

5 結 論

本文進行了6個撞擊后受損格構式鋼柱以及2個完整格構式鋼柱的承載力試驗，在研究參數范圍內得出以下結論：

（1）受壓過程中，格構式鋼柱的破壞過程為受壓側肢件先發生局部屈曲，而后發生失穩破壞，破壞時材料未達到屈服強度；完好試件的破壞部位在柱頂部，損傷試件的破壞部位在撞擊損傷位置處。

（2）隨著撞擊后殘余變形的增大，試件彈塑性階段縮短，承載力最大降低了43%；達到極限荷載后，位移迅速增大，荷載急劇降低，破壞過程具有突然性。

（3）在本文研究范圍內，試件撞擊后的整體與局部變形均對剩余承載力有影響。綜合考慮回轉半徑與殘余變形的影響，提出了剩余承載力系數與相對變形的關系，可用于預測撞擊后格構式鋼柱的剩余承載力。