冷彎薄壁C型鋼組合桁架梁受力性能試驗研究

雷超,張佳琪,韓建強,2,付秀艷,唐江明

(1. 華北理工大學 建筑工程學院,河北 唐山 063210;2. 河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063210;3. 邯鄲建工集團有限公司,河北 邯鄲 056001)

引言

隨著我國綠色建筑發展的不斷推進,輕鋼結構開始展露頭角。冷彎薄壁型鋼作為新型建筑材料,在輕鋼建筑中仍有較大的發展空間,因此對冷彎薄壁型鋼的受力性能進行分析具有一定程度的工程價值[1]。目前,國內已開展了大量的冷彎薄壁鋼管的研究工作。陳健[2]利用有限元軟件建立了一個具有20個自由度的四節點扁殼單元。周旭紅[3]的近期研究工作表明冷成型承壓構件、端部斜桿、垂直斜桿的有效長度均為1.0 L,其他構建等效長度為0.9 L,其中L為構件幾何長度。管宇[4]以"C"形底面與"U"形邊梁及壓型鋼板的連接形式為對象進行了相關研究,該研究可以有效提高自攻式螺絲在樓板間的位移性能。周立紅[5]等人認為在高 b/t的情況下,高強鋼的部分鎖止有效截面對構件的承載力起著重要作用。卜良濤[6]采用板件粘貼法對板件進行加固,有效避開了傳統焊法中的明火,提高了焊法的安全性和舒適性。結果表明,貼裝鋼板后,梁的承載力及極限承載力均有明顯的提高,而貼裝鋼板后,其承載力亦有所提高。謝陽[7]針對結構件老化存在設計隱患的問題采用加強梁的支撐和減小梁跨徑的方法,改變了梁受拉方式,從而提高了梁受力。劉華剛[8]等人通過對二次荷載鋼梁及其連接板的彎曲試驗,認為梁的承載力隨連接板厚度的增大而增大;但是,在某一厚度范圍內,梁的承載能力并沒有得到明顯的改善。

1 試驗設計

1.1 試件設計

本試驗探究無綴板和不同綴板數量條件下桁架梁承載能力和變形情況,以期得到合理科學的桁架梁組合形式,從而為工程實際應用提供參考。

根據規范[9]和工程實際具體情況,選用S550-AZ150型號的冷彎薄壁C型鋼,該型號鋼材表面采用鍍鋅處理從而達到抗腐蝕的效果,其屈服強度為550 MPa。試驗梁的結構設計見圖1,其幾何參數分別為長2 400 mm,高320 mm。且為保證腹桿的端部受力后,不與上下弦桿相接觸從而保證安全,特將豎向腹桿尺寸設計為316 mm,斜腹桿尺寸設計為433 mm,桁架梁具體參數見表1.

表1 桁架梁部件尺寸

圖1 桁架梁設計示意圖(單位:mm)

1.2 加載方案

為了保證試驗的正常開展在正式實驗之前采用預加載來測試實驗設備是否正常運行。每次預加載最大載荷小于最大承載力的30%,并分三級進行加載。在正式實驗環節試驗力以1 kN為梯度逐漸遞增,每次加載保持120 s以獲得穩定試驗結果。

1.3 材料力學性能試驗

拉伸試驗樣件尺寸參數參考《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》(GB/T228-2010)確定[10]。

為減小實驗誤差,按照國標制備3組樣件,分別標記為0.8-1、0.8-2和0.8-3,樣件制備完成以后使用WDW-100 kN微控電子萬能試驗按照上述參數開展拉伸試驗。圖2所示為拉伸前的試件,拉伸斷裂樣件如圖3所示。

圖2 拉伸前的試件 圖3 拉伸后的試件

經試驗測得3組樣件極限抗拉強度、屈服強度和彈性模量如表2所示,自攻螺釘抗剪試驗的數據如表3所示。

表2 材料的強度和彈性模量

表3 螺釘的受力性能

2 組合桁架梁受力性能試驗

2.1 加載方案和裝置

無綴板的組合桁架梁加載裝置如圖4所示,通過千斤頂對桁架梁進行外力加載,分配梁下部焊接兩個半環形凹槽,間距0.8 m,凹槽下各放置一個柱形滾軸,壓在梁加載點位置的墊片上。力傳感器連接數據采集器,加載速率和荷載大小由讀數控制。桁架梁撓度的數據采集系統由LVDT位移傳感器和strain book 系統構成,外力加載點和撓度測量點如圖5所示。

圖4 試驗加載裝置

圖5 測點布置圖

2.2 試驗現象與破壞形式

3個冷彎薄壁型鋼組合梁分別為:L1為不加綴板的桁架梁,L2為單側附加綴板,L3為雙側都附加綴板的桁架梁。

組合桁架梁L1加載至5.94 kN時,斜拔的螺釘被剪斷,停止加載,圖6為L1的破壞特征圖;單側附加綴板的組合桁架梁L2加載至10.6 kN,墊片位置上弦桿腹板發生彎折,承載力下降,構件破壞,圖7為L2破壞時的局部特征;雙側附加綴板的組合桁架梁L3加載至22.8 kN時,附加綴板發生局部屈曲,圖8為L3破壞時的局部特征。

圖6 L1的破壞特征圖 圖7 L2的破壞特征圖

圖8 L3的破壞特征圖

試驗所得各試件極限承載力如表4所示。試驗表明,試驗梁L3加固效果更好。同樣情況下,單側綴板的梁比無綴板的梁的承載力提高78.45%左右,雙側綴板的加固相比于單側綴板的加固桁架梁極限承載力可提高115.09%左右。三根梁的荷載撓度曲線如圖9所示。

表4 梁的極限承載力

圖9 梁的荷載撓度曲線

3 冷彎薄壁C型鋼組合梁數值分析

為驗證試驗的準確性,使用SAP2000軟件建立組合桁架梁L1、L2和L3模型并導入ABAQUS進行有限元仿真分析。在建模中由于無法真正模擬實際試驗時的自攻螺釘連接方式,所以模擬中采取耦合(即焊接)的約束方法。仿真分析中實驗材料參數參考S550冷彎薄壁型鋼,彈性模量設置為E=189.5×103MPa,泊松比μ取0.3屈服應力σ=569.5 MPa,密度為7 850 kg/m3,并且設置為各向同性材料。圖10、圖11、圖12分別為桁架梁L1、L2、L3受力變形云圖。圖13為3根梁的數值分析荷載-跨中撓度曲線。

圖10 桁架梁L1受力變形云圖

圖11 桁架梁L2受力變形云圖 圖12 桁架梁L3受力變形云圖

圖13 梁的荷載-跨中撓度曲線數值分析結果

4 結論

(1)單側綴板比裸骨架梁的極限承載力提高60.8%,雙側綴板加固比單側綴板加固的桁架梁極限承載力提高了138%左右,工程中可根據實際受力特征,采取適當的加強措施;

(2)組合桁架梁的受力變形過程分為3個階段,第一階段為彈性階段,荷載-位移曲線近似為斜直線,第二階段為彈塑形階段,第三階段為破壞階段,曲線呈下降趨勢。無附加綴板的冷彎薄壁C型鋼組合梁一般發生自攻螺釘的剪斷破壞,附加綴板的冷彎薄壁C型鋼組合梁一般由于綴板局部屈曲導致結構整體破壞;

(3)由試驗的荷載-應變關系曲線可看出,冷彎薄壁C型鋼組合梁隨著附加綴板數量的增加,梁的承載力提高明顯,剛度越來越大。