高性能鋼材軸壓構件整體穩定性能研究

魏凌江

（河源市天源水利水電工程咨詢有限公司，廣東 河源 517000）

1 引言

復合型高性能鋼材具有強度高、穩定性強等優點，常被制為工字形鋼柱應用于實際工程中，為規范其設計及使用，許多專家學者針對其受壓性能和穩定性開展研究。

冉紅東等人以激光焊接不銹鋼為研究對象，對其較小軸心抗壓試驗，并且結合數值模擬，修正穩定性計算系數。沈樂等人以鋼管混凝土短柱為研究對象，開展軸壓試驗，研究其整體的穩定性和抗壓性能。徐善華等人以H型鋼短柱為研究對象，研究其承載能力的變化趨勢。王飛等人利用有限元軟件，分析軸力對U 形加勁板極限承載力的影響。王宇豪等人利用有限元軟件，分析延性指標對預應力鋼-木組合圓形柱力學性能的影響。

以工字形鋼柱為研究對象，修正其幾何初始缺陷，分析其在受壓情況下的整體穩定性，研究不同荷載作用下，不同截面尺寸對其位移、轉角及應變的影響。

2 試驗方案

此研究以工字形鋼柱為研究對象，其屈服強度為460 MPa，分析不同截面尺寸下，其整體穩定性，6 種工字形鋼的相關尺寸參數如表1 所示。B 為試樣截面寬度，H 為試樣截面高度，tf和tw分別為試樣截面鋼板厚度，L0為試件長度。

表1 鋼柱尺寸參數表

此研究采用的鋼板厚度分別為10 mm和14 mm，其力學性能如表2所示。

表2 鋼板力學性能表

由于試樣在制造過程中存在一定的誤差，為保證試驗結果的準確性，采用激光水平投射儀對試件的尺寸進行測量，以得出試樣的相關尺寸參數，根據初始彎曲量和初偏心量，計算得到試件的集合初始測量值，其值如表3 所示。其中，v1、v2、v3和v0為試件的初彎曲幅值，ex和ey分別為x、y方向的偏心量，e為試件的幾何初始缺陷，L為試件長度。

表3 試件的幾何初始缺陷表

3 試驗結果與分析

此研究中試驗破壞形式均為整體失穩，其豎向位移較大，在移除荷載后，試樣有一定程度的恢復，呈彈性變形趨勢。為研究試樣所受荷載與其位移之間的關系，分別分析其橫向位移與軸向位移與施加荷載之間的關系。

結果表明隨著軸向和橫向位移的增大，試樣所受的荷載呈先增大后減小的趨勢。在試樣發生橫向變形的初期，其變形量較小，且承受的荷載較大，隨著橫向位移的增大，試樣發生失穩現象，其橫向位移迅速增大，且所受荷載減小，即發生破壞。對于軸向位移而言，軸向位移較小時，其荷載呈線性趨勢增長，隨著軸向位移的增大，其所承受的荷載發生突變，隨著軸向位移的增大而減小。不同試樣的位移-荷載曲線變化趨勢總體一致，但是其數值的大小有所差異，其曲線變化趨勢表現為彎曲失穩狀態。

為研究試樣的受扭情況，選取試件1 和試件為研究對象，分析試件在受力過程種柱端轉角及其應變的變化情況。

可知，1 試樣與2 試樣的轉角-荷載曲線變化趨勢一致，試樣的右端轉角對應的最大荷載大于試樣的左端荷載對應的最大荷載。在變形初期，柱端承受的荷載增長速度較大，其增長趨勢接近于線性增長，隨著柱端轉角的增大，試樣所承受的荷載逐漸減小，當柱端轉角為2.50°左右時，試樣1所承受的荷載顯著減小，且其轉角有微弱的回縮趨勢。當樁端轉角為3.00°左右時，試樣2所承受的荷載發生突變，顯著減小，且其柱端轉角有回縮趨勢，其回縮量大于試件1的回縮量。

隨應變的增大，試樣沿截面的相對位置逐漸減小。加載結束的應變變化量較大，50%穩定承載力試驗值和100%穩定承載力試驗值的應變變化量較小。其中，100%穩定承載力試驗值作用下的應變變化量大于50%穩定承載力試驗值作用下的應變變化量。

由于試樣1的長細比較小，其應變變化量大于試件2的應變變化量，但是兩種試樣的應變變化量均較小，以上兩種試樣的破壞形式均為彈性失穩。

4 結論

此研究以工字形鋼柱為研究對象，修正其幾何初始缺陷，分析其在受壓情況下的整體穩定性，研究不同荷載作用下，不同截面尺寸對其位移、轉角，及應變的影響，結論如下：①隨著軸向和橫向位移的增大，試樣所受的荷載呈先增大后減小的趨勢。在試樣發生橫向變形的初期，其變形量較小，且承受的荷載較大，隨著橫向位移的增大，試樣發生失穩現象，其橫向位移迅速增大，且所受荷載減小，即發生破壞。對于軸向位移而言，軸向位移較小時，其荷載呈線性趨勢增長，隨著軸向位移的增大，其所承受的荷載發生突變，隨著軸向位移的增大而減小。②1試樣與2試樣的轉角-荷載曲線變化趨勢一致，試樣的右端轉角對應的最大荷載大于試樣的左端荷載對應的最大荷載。在變形初期，柱端承受的荷載增長速度較大，其增長趨勢接近于線性增長，隨著柱端轉角的增大，試樣所承受的荷載逐漸減小，當柱端轉角為2.50°左右時，試樣1所承受的荷載顯著減小，且其轉角有微弱的回縮趨勢。