H型鋼弱軸撞擊后剩余力學性能與損傷評估

摘 要：工業廠房中的H型鋼常遭受吊物與車輛撞擊，且撞擊方向具有不確定性.基于此，本文針對H型鋼弱軸撞擊后剩余力學性能與損傷評估進行研究.首先，通過試驗獲得了弱軸撞擊后破壞形態、荷載位移曲線與應變發展特征.其次，基于有限元模型重點分析了撞擊質量、撞擊速度與軸壓比對剩余承載力的影響，并提出了H型鋼弱軸撞擊后剩余承載力預測公式.研究結果表明：試件受壓以整體彎曲變形為主，翼緣與腹板均未發生明顯局部變形；撞擊后試件剛度與承載力明顯降低，但仍保持較好的延性；撞擊能量與軸壓比是影響剩余承載力的關鍵因素；基于撞擊質量、撞擊速度與受撞時軸壓比建立了m-v-n損傷評估曲面圖，可根據撞擊工況評估H型鋼弱軸受撞損傷程度.

關鍵詞：H型鋼；弱軸；剩余承載力試驗；有限元分析；損傷評估

中圖分類號：TU391"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：10001565（2024）06059309

Residual mechanical properties and damage evaluation of H-section steel columns subjected to impact along weak axis

YANG Bohui， WANG Rui， ZHAO Hui

（College of Civil Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： H-section steel columns employed in industrial buildings are vulnerable to the vehicle or crane-load collisions， and the impact direction is indeterminate. Therefore， this work mainly investigated the residual bearing capacity and evaluated the damage degree of H-section steel columns subjected to impact along weak axis. The failure modes， load displacement curves and strain development were obtained from the experiments. Then， the influence of impact mass， impact velocity and axial compression ratio was analyzed based on finite element models. Finally， a prediction formula of residual bearing capacity for H-section steel columns subjected to impact along weak axis was proposed. The results showed that the specimens presented global flexural deformation and there was no obvious local deformation at flange or web during compression. The stiffness and bearing capacity of the columns decreased obviously after impact， while the columns still presented good ductility behaviour. The impact energy and the pre-axial loading levels of the columns during impact are the main affecting factors of the residual bearing capacity. Based on the impact mass， impact velocity and axial compression ratio during impact，the m-v-n damage evaluation diagram was established， which can be used to evaluate the damage degree of H-section steel columns under impact.

Key words： H-section steel columns; weak axis; residual bearing capacity; finite element analysis; damage evaluation

收稿日期：20240617;修回日期：20240912

基金項目：

國家自然科學基金資助項目（52108162）；山西省重點國別科技合作項目（202204041101010）

第一作者：楊博惠（2000—），男，太原理工大學在讀碩士研究生，主要從事橋梁結構抗沖擊與防護研究. E-mail：JKBH188@163.com

通信作者：趙暉（1988—），男，太原理工大學副教授，博士，主要從事組合結構抗火與抗撞研究. E-mail：zhaohui01@tyut.edu.cn

H型鋼具有自重輕、裝配方便等優點，常用作工業廠房的承重柱.然而該類構件在服役期間不可避免會遭受起吊重物或車輛撞擊等強動力荷載^［1-8］，造成鋼柱產生局部屈曲或整體彎曲，降低其承載力.實際工程中受撞構件常處于帶損傷工作狀態，因此對其受撞后剩余力學性能評估具有現實工程意義.

目前，國內外學者針對鋼構件受撞后剩余力學性能已進行了系列研究^［9-14］.趙云卿^［15］對6根格構式鋼柱撞擊后剩余承載力進行試驗研究發現，受撞后試件剩余承載力與撞擊能量呈線性關系.Chen等^［16］分別對48個方鋼管與圓鋼管試件進行了側向撞擊后剩余承載力試驗研究，并通過考慮撞擊能量、撞擊位置與徑厚比的影響，提出了預測方鋼管與圓鋼管剩余承載力的計算公式.李發超等^［17］對不同速度撞擊后C型冷彎鋼梁剩余承載力進行了試驗與有限元研究.研究發現，受撞后產生的幾何缺陷使試件更容易發生失穩破壞.白燕^［18］、Bai等^［19］使用有限元軟件Abaqus研究了不同軸壓比下H型鋼撞后剩余承載力的變化規律，結果表明，軸力的存在削弱了H型鋼的剩余承載性能，根據參數分析結果提出了基于撞擊能量和軸壓比的撞后剩余承載力預測公式.Zhao等^［20］、Wang等^［21］進行了熱軋H型鋼受強軸側向撞擊后剩余承載力試驗研究，并提出考慮整體變形的剩余承載力評估方法.目前研究主要針對H型鋼強軸撞擊后剩余承載力，尚無沿弱軸撞后剩余承載力的相關研究.由于強弱軸存在明顯的抗彎剛度差異，弱軸撞擊會導致更大的整體變形與更小的局部屈曲，此時繼續施加荷載，其破壞過程及機理將不同于強軸.

為此，本文對H型鋼弱軸撞擊后軸壓剩余承載性能開展試驗研究，以獲得沿弱軸撞擊后構件受壓的破壞形態與剩余承載力，并分析弱軸方向的幾何缺陷對剩余承載力的影響.此外，建立有限元模型并探討撞擊能量、軸壓比與撞擊位置對剩余承載力的影響.最后，基于試驗與參數分析結果提出沿弱軸撞擊后H型鋼剩余承載力預測公式及損傷評估方法.

1 試驗概況

1.1 試件基本信息

共設計5根H型鋼截面柱（4個撞擊損傷試件，1個未受撞擊試件），長度為1 750 mm，試件參數及撞后變形結果見表1，其中H為截面高度，B為截面寬度，L為試件長度，tw與tf分別為腹板與翼緣厚度.受撞后試件未發生局部變形，表中僅給出撞擊后試件的整體變形Δg.按照文獻［22］分別對翼緣與腹板位置鋼材進行拉伸試驗，獲得鋼材的力學性能指標（表2）.表2中，fy表示屈服強度，Es表示彈性模量，fu表示抗拉強度。

1.2 測試內容與加載方案

采用YAW-5000型電液伺服壓力試驗機，安裝刀口鉸開展剩余承載力試驗.試件上下兩端、1/2跨與1/4跨共布置5個位移計，分別測量試件軸向位移和側向撓度，如圖1所示.通過縱向應變片測量試件跨中截面上翼緣、下翼緣與腹板處應變發展.首先通過預加載消除虛位移，預加載范圍為試件預估承載力的10%.正式加載前期采用力控制模式，加載速度為1 kN/s，當荷載達到200 kN時，轉為位移控制模式，加載速度為0.005 mm/s.當跨中側向撓度達到20 mm時，停止加載.

2 結果分析

2.1 破壞形態

不同試件在受壓加載過程中試驗現象基本一致.加載初期，荷載持續增加但此時位移變化較小，未見試件有明顯變化.當荷載過峰值后，側向整體變形開始迅速發展，腹板及翼緣未發生局部屈曲.圖2給出了試件破壞形態，可以看出試件主要發生整體彎曲變形，受撞位置處局部變形較小.對比試件IH-1和IH-4發現，隨著撞擊損傷的增大，在受壓加載下試件整體彎曲破壞更嚴重.

2.2 荷載-位移曲線

不同試件的荷載位移曲線與極限承載力見圖3，其中NR為試件極限承載力.由于采集故障，試件UH-1位移數據丟失.圖3可知，隨著撞擊損傷的增大，試件極限承載力與剛度明顯降低.

當試件被撞后跨中撓度從40.2 mm（IH-1）增加到57.3 mm（IH-4），其極限承載力與剛度分別降低了20.5%和65.9%.在軸向位移荷載作用下，試件荷載-位移曲線可分為3個階段：1）彈性階

段：荷載與位移基本呈線性關系，并且隨著撞擊損傷的增大，曲線斜率降低；2）彈塑性階段：荷載-位移曲線呈非線性變化，曲線逐漸趨于平緩，直至荷載達到峰值.而隨著撞擊產生的撓度增大，峰值荷載出現的時間滯后.對比試件IH-1與IH-4，達到峰值荷載時，試件跨中側向撓度分別為12.0、16.6 mm；3）塑性階段：荷載過峰值后開始緩慢下降，未發生失穩破壞，表明撞擊后試件仍具有較好的延性.

2.3 應變發展

圖4給出了部分試件跨中截面的縱向應變發展，其中1號和3號應變片位于翼緣，2號應變片位于腹板中點.可以發現，整個加載過程中應變均為負值，表明側向撞擊使試件中性軸偏離形心軸，試件形心位置鋼材處于受壓狀態.未達到峰值荷載前，各應變片數據基本重合且隨荷載線性增大，鋼材尚處于彈性階段，試件未發生局部屈曲.達到峰值荷載后，撞后損傷較小的試件縱向應變迅速發展，而損傷較大的試件逐漸由壓應變向拉應變發展.這是由于在受壓過程中，較大的初彎曲產生較大的跨中彎矩，由彎矩引起的拉應力逐漸增大使形心位置處鋼材由壓縮逐漸向拉伸轉變.

3 有限元分析

3.1 模型建立與驗證

基于ABAQUS建立H型鋼沿弱軸撞后剩余承載力模型，鋼材采用韓林海等^［23］提出的應力應變關系，其中鋼材的應變率效應參數D與p的取值^［24-25］分別是6 844 s^-1和3.91.鋼柱與端板均采用C3D8R實體單元，二者通過“Tie”進行綁定.對跨中位置兩側各200 mm范圍內的網格進行局部加密，加密區網格尺寸為試件長度的1/120，剩余區域網格尺寸為試件長度的1/60.通過“Restart”與“Import”命令將撞擊后模型結果導入剩余承載力模型中，模型兩端邊界條件均為鉸接.模型計算與試驗結果的對比情況見圖3，整體上，有限元可較好預測撞擊后剩余承載力以及撓度發展情況.試件IH-1的曲線對比情況有一定差異，這主要與試驗中可能存在的測量誤差和試件本身的初始缺陷有關，使得試驗結果具有一定的離散性.此外，由于動力學模型中鋼材的材料應變率效應參數D與p取自相關規程或文獻而并非試驗測得，可能會使模擬結果存在差異^［26-27］.

3.2 塑性應變分布

撞擊后試件受壓全過程等效塑性應變（PEEQ）發展如圖5所示，圖5中a、b、c分別對應受壓

前、峰值荷載與側向撓度達到20 mm時的等效塑性應變分布.可以看出，試件受壓前塑性應變主要分布在跨中位置的受撞與背撞側，腹板位置并未產生明顯塑性變形.隨著軸向位移繼續加載，塑性變形區域逐漸向腹板擴展，受撞區域塑性應變明顯增大.表明H型鋼跨中位置已產生明顯塑性鉸，但塑性發展并不充分，在受壓過程中塑性鉸范圍主要沿著翼緣繼續擴大，跨中截面塑性充分發展.

3.3 參數分析

在驗證有限元模型可靠性基礎上，本節對H型鋼沿弱軸側向撞擊后剩余力學性能進行參數分析.相關研究表明，撞擊能量與軸壓比是影響H型鋼撞擊后整體變形的關鍵因素^［20-21］.因此本文選取撞擊質量（m）、撞擊速度（v）、軸壓比（n）進行剩余承載力參數分析，具體參數見表3.圖6、圖7、圖8分別給出了試件剩余承載力隨不同參數變化的影響規律，隨著m、v與n的增大，試件剩余承載力均呈現降低趨勢.以HW 350×350×12×19無軸力構件為例，當m從4 t增加到6 t，v從2 m/s增加到4 m/s，n從0增加到0.4，試件剩余承載力分別降低了17.0%、40.1%和42.7%.這是由于較大的撞擊能量與軸壓比造成較大的整體變形，使試件受壓時初彎曲增大，降低了試件極限承載力.

4 剩余承載力計算與損傷評估

4.1 剩余承載力計算

本文基于試驗與有限元分析結果，發現H型鋼弱軸撞擊后受壓處于壓彎狀態.因此，本文在文獻［28］壓彎構件穩定承載力計算基礎上，引入撞擊撓度影響系數ψ，提出H型鋼沿弱軸撞擊后剩余承載力計算公式如式（1）所示.圖9給出了公式預測結果與試驗及有限元結果（NRC）對比.公式與試驗及有限元結果比值的均值與方差分別為1.024與0.005，公式具有較好的預測效果.

NRφxAfy+ψMxγxWx1-0.8NRNEfy=1，

ψ=11+5.05×ΔgL+0.562，

（1）

式中：NR為試件剩余承載力；φx為軸心受壓構件穩定承載力系數；A為試件截面面積；Mx為弱軸平面內計算彎矩；γx為塑性發展系數，對于承受動力荷載的試件取1.0；Wx為弱軸截面模量；fy為鋼材屈服強度；Δg為撞擊產生的撓度；L為試件長度.

4.2 損傷評估

剩余承載力與構件能否繼續服役直接相關，因此根據文獻［29-31］的建議，采用考慮撞擊時軸壓力的剩余承載力評估指標，計算公式如式（2）所示.

D=1-NR-N0Nu-N0，（2）

其中，Nu與N0分別為試件初始承載力與受撞擊荷載作用時所施加的軸力.

對模型計算結果進行統計分析，并根據損傷評估指標將損傷程度劃分為4個等級：S1為輕度損傷，S2為中度損傷，S3為重度損傷，S4為破壞失效，具體分級見表4.

損傷評估曲面是以主控因素為三維坐標，基于損傷評估等級建立的等損傷曲面.構件撞擊后達到臨界損傷指標時所承受的臨界撞擊作用，由m、v與n共同決定.因此，本文基于108個有限元計算結果，得到臨界損傷指標（D）分別為0.3、0.5和0.7附近的撞擊工況.基于算例結果，提出不同臨界指標對應的m-v-n關系，見圖10.整個坐標空間被3個m-v-n臨界損傷曲面劃分為4個區域，分別對應不同的損傷評估等級：若（m，v，n）組合點位于D=0.3曲面下方區域，則可評估構件等級為S1；若（m，v，n）組合點位于D= 0.3與D=0.5曲面之間，則構件評估等級為S2；若（m，v，n）組合點位于D=0.5與D=0.7曲面之間，則構件評估等級為S3；若（m，v，n）組合點位于D=0.7曲面上方區域，可判定構件損傷級別為S4.綜上，根據構件受撞擊時的撞擊質量、撞擊速度與軸壓比即可確定（m，v，n）組合點，將其代入評估曲面圖中，便可判斷出該構件的損傷程度.

5 結論

本文采用試驗與有限元的方法對H型鋼沿弱軸撞擊后剩余承載性能進行了分析，系統研究了此類構件的受力性能與參數影響趨勢，在本文的研究參數范圍內得到以下結論：

1）H型鋼弱軸側向撞擊后繼續承受豎向荷載，翼緣和腹板未發生局部屈曲，試件表現明顯的整體彎曲破壞形態.隨著撞擊后跨中撓度從40.2 mm增加到57.3 mm，試件剛度與承載力分別降低了65.9%和20.5%，但仍保持較好的延性，并未發生失穩破壞.

2）撞擊后試件軸向加載過程分為彈性、彈塑性與塑性階段.由于撞擊后試件存在初始撓度，試件受壓過程處于壓彎狀態.本文基于鋼結構壓彎承載力計算公式提出H型鋼弱軸撞擊后剩余承載力計算公式，可用于預測H型鋼沿弱軸撞擊后的剩余承載力，并在此基礎上提出損傷系數劃分損傷評估等級.

3）撞擊能量與H型鋼受撞時軸壓比是影響H型鋼構件弱軸剩余承載力的關鍵因素.本文基于撞擊質量、撞擊速度與軸壓比建立的m-v-n損傷評估曲面圖，可根據撞擊工況評估H型鋼弱軸受撞損傷程度.

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（責任編輯：王蘭英）