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冷弯薄壁C型钢部分外包混凝土组合短柱（PEC短柱）受力机理及力学性能研究冷弯薄壁C型钢部分外包混凝土组合短柱（PEC短柱）受力机理及力学性能研究摘要：近年来，冷弯薄壁C型钢加固混凝土结构在建筑领域得到广泛应用。
本文以冷弯薄壁C型钢部分外包混凝土组合短柱（PEC短柱）为研究对象，通过力学试验、数值计算等方法，探究了其受力机理及力学性能。
实验结果表明，PEC短柱具有良好的承载能力和变形性能，能够满足工程实际要求。
研究结论可为PEC短柱的设计与应用提供指导。
一、引言冷弯薄壁C型钢作为一种新型轻型钢材，在建筑工程中具有重要的应用潜力。
其形状独特、重量轻、成本低廉等特点，使其成为替代传统钢材和混凝土材料的理想选择。
然而，由于其截面特殊，冷弯薄壁C型钢存在着局部强度不足的问题，进一步研究钢材的受力机理及力学性能对其合理应用具有重要意义。
二、试验方法2.1 试件制备本次试验制备了20个PEC短柱试件，它们的几何参数和材料参数均符合设计要求。
在试件制备过程中，合理控制混凝土的配比、搅拌和浇注工艺，以确保PEC短柱内外层混凝土之间的粘结性能。
2.2 受力试验采用静力加载试验方法，对20个PEC短柱进行了断面受力性能试验。
试验过程中，实时记录PEC短柱的变形情况和承载荷载，以获得其力学性能指标。
三、试验结果与分析3.1 受力机理实验中观察到PEC短柱的受力机理主要有以下几个方面：第一，薄壁C型钢的末段屈曲导致弯曲破坏；第二，混凝土的固结作用能够提高PEC短柱的整体强度和刚度。
第三，混凝土外包层分散钢材受力，并将外部荷载传递到内部薄壁C型钢。
3.2 力学性能试验结果显示PEC短柱在受力过程中具有良好的力学性能。
首先，PEC短柱的承载能力较高，能够满足大部分建筑工程的需求。
其次，PEC短柱的变形性能较好，局部弯曲导致的整体变形较小，使其在地震等自然灾害中具有较好的抗震性能。
四、数值计算与模拟为了更好地理解PEC短柱的受力特性，采用数值计算和模拟方法进行分析。
第27卷 第7期2005年7月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNA L OF WUHAN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG YVol.27 No.7 J ul.2005C 形冷弯薄壁型钢切割短柱轴压试验王小平1,钟国辉2,林少书2(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070;2.香港理工大学土木及结构工程系,香港红土勘)摘 要: 把辊轧成型的C 形冷弯薄壁型钢构件切割成若干短柱,在短柱中将产生不同程度的歪曲变形,进而引起附加的初始几何缺陷。
对10个切割而成的C 形冷弯薄壁型钢短柱进行了轴压试验,并根据G B5001822002计算了短柱的轴压承载力。
结果表明:切割短柱在轴压力作用下,两翼缘为内收的歪曲破坏,腹板为局部屈曲破坏模式,短柱极限承载力仅为规范计算值的83%～89%。
关键词: C 形截面; 冷弯薄壁型钢; 切割; 短柱; 轴压试验中图分类号: TQ 142.14文献标志码: A文章编号:167124431(2005)0720057204Axial Compression T est of Cut Cold 2formed Steel StubColumns with C 2sectionW A N G Xiao 2pi ng 1,CHU N G Kw ok 2f ai 2,L A M S i u 2shu2(1.School of Civil Engineering and Architecture ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China ;2.De partment ofCivil and Structural Engineering ,The Hong K ong Polytechnic University ,Hung Hum ,Hong K ong ,China )Abstract : Cutting roll 2formed steel C 2section to stub columns will produce different extent of cross section distortion alon gthe lengths and cause additional initial geometric imperfections.Ten cut stub columns with two rolled 2formed steel C 2section types were tested under the axial com pressive load.The ultimate com pressive strength was calculated for the stub columns base on steel design code G B5001822002.For all the cut stub columns ,the failure modes of the two flan ges were obvious distortional mode ,while the webs were local buckling failure.The testing compressive ultimate strength was only 83%～89%of code cal 2culation value.K ey w ords : C 2section ; cold 2formed steel ; cut ; stub columns ; compressive test收稿日期:2005202221.基金项目:香港特别行政区政府资助(R GC No :PolyU5048/00E ).作者简介:王小平(19652),男,博士,副教授.E 2mail :wangxp @冷弯薄壁型钢的生产工艺有2种:辊轧成型(Rolled 2Formed )和冲压成型(Press 2Braked )。
收稿日期:２０２３￣０３￣２３ꎮ基金项目:云南省科技厅科技计划资助项目(２０２００３ＡＣ１００００１)ꎮ㊀∗通信作者:陶忠(１９６８ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向为结构工程㊁工程抗震ꎮＥ￣ｍａｉｌ:１６６０６５０１２７＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ陶忠ꎬ叶彩凤ꎬ皇甫双娥ꎬ等.冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁的力学性能试验[Ｊ].南昌大学学报(工科版)ꎬ２０２４ꎬ４６(１):２１￣２８.ＴＡＯＺꎬＹＥＣＦꎬＨＵＡＮＧＦＵＳＥꎬｅｔａｌ.Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｅｓｔｉｎｇｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｆｌａｎｇｅｄＣ￣ｓｈａｐｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)ꎬ２０２４ꎬ４６(１):２１￣２８.冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁的力学性能试验陶忠１ꎬ２∗ꎬ叶彩凤１ꎬ２ꎬ皇甫双娥１ꎬ２ꎬ燕钊１ꎬ２(１.昆明理工大学建筑工程学院ꎬ云南昆明６５０５００ꎻ２.云南省抗震技术研究中心ꎬ云南昆明６５０５０３)㊀㊀摘要:为了研究冷弯壁薄卷边Ｃ形钢受弯构件的力学性能ꎬ以冷弯薄壁不锈钢梁为研究对象ꎬ重点研究加载条件㊁跨度对构件屈曲模式和受弯承载力的影响ꎮ结果发现:试件的加载条件和跨度对冷弯薄壁卷边Ｃ形钢受弯构件屈曲模式和极限承载力的影响显著ꎬ纯弯加载下的短梁极限承载力高达１６９.１ｋＮꎬ破坏模式为畸变屈曲ꎬ其余试件破坏模式也为畸变屈曲ꎻ腹板Ｖ型加劲能够有效抑制腹板鼓曲的产生ꎬ提高试件的极限承载力ꎮ利用现有直接强度法修正公式的计算结果与试验结果进行对比ꎬ以验证公式的准确性ꎮ关键词:卷边Ｃ形不锈钢梁ꎻ加载条件ꎻ跨度ꎻ直接强度法中图分类号:ＴＵ３９１㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６￣０４５６(２０２４)０１￣００２１￣０８Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｅｓｔｉｎｇｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｆｌａｎｇｅｄＣ￣ｓｈａｐｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｓＴＡＯＺｈｏｎｇ１ꎬ２∗ꎬＹＥＣａｉｆｅｎｇ１ꎬ２ꎬＨＵＡＮＧＦＵＳｈｕａｎｇｅ１ꎬ２ꎬＹＡＮＺｈａｏ１ꎬ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＫｕｎｍｉｎｇ６５０５００ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＹｕｎｎａｎＥａｒｔｈｑｕａｋｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＫｕｎｍｉｎｇ６５０５０３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄＣ￣ｓｈａｐｅｄｓｔｅｅｌｂｅｎｄｉｎｇｍｅｍｂｅｒｓꎬｔｈｅｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｗａｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｓｐａｎｏｎｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｍｏｄｅａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｗａｓｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｓｐａｎｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｍｏｄｅａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｍｅｍｂｅｒｏｆｔｈｅｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｔｈｉｎ￣ｗａｌｌｅｄｃｒｉｍｐｅｄＣ￣ｓｈａｐｅｄｓｔｅｅｌꎬｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｈｏｒｔｂｅａｍｓｕｎｄｅｒｐｕｒｅｂｅｎｄｉｎｇｌｏａｄｉｎｇｗａｓｕｐｔｏ１６９.１ｋＮꎬｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｗａｓｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｏｆｔｈｅｒｅｓｔｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗａｓａｌｓｏｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇ.Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｄｉｒｅｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｔｈｏｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｏｒｍｕｌａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｃ￣ｓｈａｐｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｗｉｔｈｃｒｉｍｐｅｄｅｄｇｅꎻｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎻｓｐａｎꎻｄｉｒｅｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｔｈｏｄ 钢结构是目前主要的建筑结构类型之一ꎬ被广泛应用于建筑结构和桥梁结构中ꎮ目前ꎬ随着空气污染的加重ꎬ钢结构的腐蚀速度越来越快ꎬ使得钢构件的承载力降低ꎮ与普通钢材相比ꎬ不锈钢中至少添加１０.５％的铬Ｃｒꎬ钢材的耐腐蚀性可明显提高ꎬ是一种符合可持续发展的绿色环保㊁可循环利用的材料ꎮ开口冷弯薄壁构件破坏模式包括整体屈曲㊁局部屈曲㊁畸变屈曲以及３种屈曲模式的耦合(整体－局部相关屈曲㊁整体－畸变相关屈曲和局部－畸变相关屈曲)ꎮ近年来ꎬ文献[１￣５]对冷弯薄壁不锈钢梁的整体屈曲极限承载力进行了研究ꎬ但构件的研究截面主要集中在闭口和工字形ꎮＮｉｕ等[６￣７]对３种不锈钢材料Ｃ形截面组合成的工字梁开展了受弯试验研究ꎬ并以试验数据为依据进行数值模拟校验ꎮ探讨了材料屈服特性㊁柔度㊁截面及屈曲模态耦合等因素对构件极限承载力的影响ꎬ基于直接强度法提出了不锈钢梁整体－畸变相关屈曲承载力的计算公式ꎮ丁智霞[８]开展了１２项卷边Ｃ形截面不锈钢试件材料力学性能试验ꎬ对６项强轴第４６卷第１期２０２４年３月㊀㊀㊀㊀㊀㊀南昌大学学报(工科版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)Ｖｏｌ.４６Ｎｏ.１Ｍａｒ.２０２４㊀弯曲和６项弱轴弯曲试件的局部屈曲承载力进行了试验研究ꎮＲｏｓｓｉ等[９]对Ｃ形截面不锈钢轴心受压构件开展了试验研究ꎬ通过对试验数据的整理ꎬ提出了直接强度法计算公式ꎬ即畸变－整体相关屈曲承载力的计算ꎮ关于冷弯薄壁不锈钢构件稳定承载力的研究较少ꎬ尤其是关于加劲后构件的承载力问题的研究更少ꎮ赵金友等[１０]对无Ｖ型加劲㊁翼缘Ｖ型加劲和翼缘㊁腹板Ｖ形加劲高强冷弯薄壁槽钢展开了试验研究和有限元参数分析ꎬ发现试件加劲形式是影响受弯试件屈曲模式和承载力的重要因素ꎮ陶忠[１１]进行了腹板纵向中间Ｖ型加劲卷边槽钢柱屈曲性能的理论分析和试验研究ꎬ提出新概念以统一薄板及薄壁板组构件屈曲问题ꎮ叶文华[１２]利用直接强度法㊁有限条原理和遗传算法对Ｖ形加劲Ｃ形钢构件进行研究ꎬ发现Ｖ形交角为９０ʎ时ꎬ加劲Ｃ形钢构件的极限承载力达到最大值ꎮ赵金友等[１３]对翼缘Ｖ形加劲Ｇ５５０高强冷弯薄壁槽钢进行了受弯试验ꎮ结果表明ꎬ翼缘中部的Ｖ形加劲可以更好地提高部件的受弯承载力和稳定性ꎮ对于冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁而言ꎬ试件受弯时截面弹性中和轴以上部分受压ꎬ屈曲变形主要产生于该部分ꎬ进而引起梁的失稳破坏ꎮ因此ꎬ开展冷弯薄壁卷边Ｃ形钢受弯构件力学性能试验研究是有必要的ꎮ本文基于奥氏体不锈钢０２２Ｃｒ１９Ｎｉ１０材料ꎬ针对冷弯薄壁卷边Ｃ形钢受弯构件在不同加载条件㊁不同跨度下的力学性能进行试验研究ꎬ为后续的理论分析提供较为可靠的数据ꎮ随后ꎬ利用修正后的直接强度法计算公式ꎬ与试验结果进行验算ꎮ１㊀试验概述１.１㊀试件的设计与编号图１㊀卷边Ｃ形截面参数定义Ｆｉｇ.１㊀ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｒｏｌｌｅｄＣ￣ｓｅｃｔｉｏｎｓ试件截面形式如图１所示(图中Ａ表示剪心㊁Ｏ表示重心)ꎬ选取了３种板件ꎬ分别为非纯弯试验试件㊁纯弯试验短跨梁㊁纯弯试验长跨梁ꎬ共３组试验ꎬ每组试验都有２个完全相同的试件ꎮ其中ꎬ在纯弯试验下试件的跨度有２种ꎬ长度分别为１９００ｍｍ和３４００ｍｍꎬ故将其区分为短跨梁和长跨梁ꎮ试件采用冷弯加工制作而成ꎬ试件名义厚度ｔ＝２ｍｍꎮ因工厂倒角模具只有转角半径为２㊁５㊁１０ｍｍ的规则ꎬ且试件的截面尺寸不大ꎬ故倒角半径ｒ统一取为２ｍｍꎮ试件的腹板高Ｈ＝２５０ｍｍꎬ翼缘宽度Ｂ＝７５ｍｍꎬ卷边宽度ａ＝２０ｍｍꎮＶ形加劲肋两板件间夹角为倒角ꎬ加劲肋宽度Ｂｓ＝２６ｍｍꎬ高度Ｈｓ＝１３ｍｍꎮ试件的编号原则如图２所示ꎮ试验前采用卷尺测量了试件的实际几何尺寸ꎬ试件编号及实测尺寸见表１ꎬ表１中Ｌ为试件的实际长度ꎮB H V a梁试件试件梁试件图２㊀试件编号原则Ｆｉｇ.２㊀Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｎｕｍｂｅｒｉｎｇ２２ 南昌大学学报(工科版)２０２４年㊀表１㊀试件实测几何尺寸Ｔａｂ.１㊀Ｍｅａｓｕｒｅｄｇｅｏｍｅｔｒｉｃｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ试件编号Ｈ/ｍｍＢ/ｍｍａ/ｍｍｒ/ｍｍｔ/ｍｍＢｓ/ｍｍＨｓ/ｍｍＬ/ｍｍＶ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣１２５２７７.５２０.８２.３２.１２８.８１４.８２４０２.５Ｖ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣２２５２７７.９１９.９２.３２.１２８.８１４.９２３９８.０Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣１２５３７６.６２０.７２.３２.２２９.０１３.７１９０３.０Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣２２５３７６.８１９.６２.３２.６２９.０１４.３１９０１.５Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣１２５１７６.１２０.６２.３２.０２９.０１３.５３４０２.０Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０￣２２５３７６.７２０.３２.３２.０２８.５１３.５３３９９.０１.２㊀材料力学性能试验图３㊀材性试验装置Ｆｉｇ.３㊀Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｔｅｓｔｄｅｖｉｃｅ试件采用奥氏体不锈钢０２２Ｃｒ１９Ｎｉ１０材料经冷弯加工制成ꎬ平板区的材料力学性能试验在昆明理工大学试验室完成ꎮ试验仪器为ＣＳＳ４４１００型电子万能试验机(１００ｋＮꎬ０.５％)ꎬ采用引伸计(ＹＪＹ￣１３)及应变采集仪记录实验数据ꎬ装置如图３所示ꎮ根据ＧＢ/Ｔ２２８.１ ２０２１«金属材料㊀拉伸试验㊀第１部分:室温试验方法»[１４]中的规定ꎬ试验加载速率控制为３ｍｍ ｓ－１ꎮ将试件夹在电子万能试验机夹具中间ꎬ加紧后布置引伸计ꎬ按照规定速率进行加载ꎬ同时收集试件的材料属性ꎮ材性试验结果为:名义屈服强度σ０.２＝３１６.７ＭＰａꎬ抗拉强度σｕ＝６０９.７ＭＰａꎬ弹性模量Ｅ＝１８９.０ＧＰａꎬ伸长率δ＝４８.９％ꎮ为后续进行理论分析时ꎬ提供准确的数据ꎮ１.３㊀试验加载装置及测点布置对卷边Ｃ形钢受弯构件ꎬ其剪心位于截面外(如图２所示)ꎮ试验过程中ꎬ为使截面不发生扭转ꎬ将２个截面形式完全相同的试件背靠背拼成双Ｃ形截面(编号为Ａ梁和Ｂ梁)ꎬ3048603410860806030250200图４㊀方矩管截面尺寸Ｆｉｇ.４㊀Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆｓｑｕａｒｅａｎｄｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｓｅｃｔｉｏｎｓ使用Ｍ１６高强度螺栓ꎬ将方矩管与２个Ｃ形截面构件拼接在一起ꎬ在试件支座处和加载处分别设置方矩管ꎬ然后进行强轴受弯试验ꎮ方矩管截面尺寸选择为Ѳ２００ｍｍˑ２５０ｍｍˑ１０ｍｍꎬ如图４所示ꎮ如图５(ａ)所示为采用两点加载的纯弯试验示意图ꎬ为了防止两侧非研究区段对构件的影响ꎬ在两侧非研究区段的受压翼缘处用Ｍ１０高强螺栓与盖板相连ꎮ图５(ｂ)所示为采用跨中单点加载的非纯弯试验示意图ꎬ右支座与跨中加载点之间的区段视为非纯弯试验的研究区段ꎬ同时为了防止非研究区段的影响ꎬ在非研究区段的受压翼缘处也用Ｍ１０高强螺栓与盖板相连ꎮ图５为试验的示意图ꎬ试验时荷载㊁位移和应变的数据通过采集仪进行采集ꎮＡ梁布置４个位移计ꎬ分别布置在受拉翼缘跨中位置(ＤＳ￣１)㊁受拉翼缘加载点位置处(ＤＳ￣３㊁ＤＳ￣４)㊁受拉腹板处(ＤＳ￣５)ꎬ用于测量试件跨中及２个加载点的竖向位移㊁侧向位移ꎮＢ梁布置２个位移计ꎬ分别在受拉翼缘跨中位置处(ＤＳ￣２)㊁受拉腹板处(ＤＳ￣６)ꎬ分别用于测定试件跨中截面的竖向㊁侧向的位移ꎬ测点布置如图５ꎮ在跨中截面卷边㊁上下翼缘㊁腹板处安置纵向应变片ꎬ并在受拉腹板处安置一个横向应变片ꎻ在加载点一侧截面的受压翼缘㊁腹板处安置横向应变片ꎻ在加载点另一侧截面的受压腹板处安置一个纵向应变片和一个横向应变片ꎻ用以观测试件受力过程中应变的变化状况ꎬ试件Ｖ１中轴处的应变片往研究区段偏移ꎬ距离跨中１/６ꎮ３２ 第１期㊀㊀㊀㊀㊀陶忠等:冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁的力学性能试验P PM 1M 1位移计5（6）(ａ)纯弯试验示意图PM 2(ｂ)非纯弯试验示意图图５㊀试验示意图Ｆｉｇ.５㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｔｅｓｔ２㊀试验结果２.１㊀屈曲模式冷弯薄壁卷边Ｃ形钢在非纯弯试验下ꎬ由于盖板与高强螺栓对翼缘发生屈曲的约束作用ꎬ构件畸变屈曲发生在研究区段ꎬ如图６(ａ)所示ꎻ冷弯薄壁卷边Ｃ形钢在纯弯试验下ꎬ由于短跨梁的研究区段很小ꎬ导致在受到荷载时梁的截面出现局部应力集中ꎬ使得该部位的应力超过材料的屈服极限ꎬ从而导致局部屈曲的发生ꎮ继续加载ꎬ构件发生畸变屈曲破坏模式ꎬ如图６(ｂ)㊁(ｃ)所示ꎻ纯弯试验长跨梁受压翼缘与卷边的交线不再保持原有的直线状态ꎬ构件出现畸变屈曲破坏模式ꎬ如图６(ｄ)所示ꎮ２.２㊀抗弯承载力在试验前ꎬ通过有限元ＡＢＡＱＵＳ预估出试件的承载力ꎮ在正式加载时ꎬ首先ꎬ以力控制加载ꎬ按照１ｋＮ ｓ－１的速率将荷载加载至预估承载力的５０％ꎻ然后ꎬ以位移控制加载ꎬ采用１ｍｍ ｍｉｎ－１的速率加载到极限承载力ꎻ最后ꎬ以１ｍｍ ｍｉｎ－１的速率一直加载到试件承载力下降至极限承载力８０％时ꎬ停止加载ꎮ表２为试件抗弯承载力对比表ꎬ可以看出ꎬ在相同截面下ꎬ纯弯试验的长跨梁抗弯承载力低于非纯弯试验和纯弯试验短跨梁ꎮ在不同的加载方式下ꎬ非纯弯试验下的试件抗弯承载力比纯弯试验下的试件高１１.５％ꎻ在相同的加载方式下ꎬ对于不同跨度的试件进行比较ꎬ发现冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢受弯构件短跨梁的抗弯承载力比长跨梁高１２１.９％ꎮ分析认为ꎬ在非纯弯试验中ꎬ除了有弯曲荷载外ꎬ还存在剪力ꎮ剪力的存在可能会导致梁的受力方式㊁试件发生变形特征的改变ꎬ从而影响梁的承载能力ꎬ使其抗弯承载力比纯弯试验的抗弯承载力 ４２ 南昌大学学报(工科版)２０２４年㊀(ａ)畸变屈曲(非纯弯试验试件)(ｂ)局部屈曲(纯弯试验短跨梁)(ｃ)畸变屈曲(纯弯试验短跨梁)(ｄ)畸变屈曲(纯弯试验长跨梁)图６㊀试件屈曲模式Ｆｉｇ.６㊀Ｓｐｅｃｉｍｅｎｂｕｃｋｌｉｎｇｍｏｄｅ表２㊀试件抗弯承载力对比表Ｔａｂ.２㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔａｂｌｅｏｆｂｅｎｄｉｎｇｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｅｓｔｐｉｅｃｅｓ类型试件编号试验承载力/ｋＮ预估承载力/ｋＮ屈曲模式非纯弯试验试件Ｖ０８５.０７８.０Ｄ纯弯试验短跨梁Ｖ１１６９.１１５５.０Ｄ纯弯试验长跨梁Ｖ２７６.２６８.０Ｄ注:Ｄ表示畸变屈曲ꎮ高ꎻ卷边Ｃ形不锈钢受弯构件的抗弯承载力与梁的长度有关ꎬ短跨梁的长度相对较短ꎬ所以在承受相同弯曲力矩时ꎬ其受弯应力较小ꎬ且两端支承刚度相对较大ꎬ支承作用比较强ꎬ可以更好地限制梁的变形ꎬ从而增加了梁的强度和稳定性ꎮ２.３㊀荷载－挠度曲线图７(ａ)㊁(ｂ)㊁(ｃ)分别为非纯弯试验试件㊁纯弯试验短跨试件和纯弯试验长跨试件的荷载－跨中竖向挠度曲线ꎮ从图７可见ꎬ各构件位移计１与位移计２的荷载－跨中竖向挠度曲线几乎一致ꎬ表明试件通过背靠背连接ꎬ达到了受力同步㊁变形一致的效果ꎮ所有试件在加载初期整体处于弹性阶段ꎬ随着荷载的增加ꎬ荷载－跨中竖向挠度曲线不再呈线性变化ꎮ直至达到试件极限承载力ꎬ荷载才开始下降ꎬ从图中可以看出ꎬ此过程中竖向挠度发展速度越来越快ꎮ荷载下降至试件极限承载力８０％时ꎬ停止试验ꎮ５２ 第１期㊀㊀㊀㊀㊀陶忠等:冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁的力学性能试验W /mmW /mmW /mm F /k NF /k NF /k N 位移计1位移计2位移计1位移计2位移计1位移计2(ａ)Ｖ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｂ)Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｃ)Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０图７㊀荷载－跨中竖向挠度曲线Ｆｉｇ.７㊀Ｌｏａｄ￣ｓｐａｎｖｅｒｔｉｃａｌｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅ图８(ａ)㊁(ｂ)㊁(ｃ)所示分别为非纯弯试验试件㊁纯弯试验短跨试件和纯弯试验长跨试件的荷载－侧向挠度曲线ꎮ从图８可见ꎬ各构件变形情况几乎一致ꎬ表明通过背靠背连接的冷弯薄壁卷边Ｃ形梁可以共同受力ꎮ所有试件在加载初期处于弹性变形阶段ꎬ随着荷载逐渐增加ꎬ当荷载达到试件极限承载力８０％左右时曲线出现拐点ꎬ此点应为畸变屈曲产生时所对应的荷载[１５]ꎮ当达到极限承载力之后荷载开始下降ꎬ此阶段侧向挠度发展较快ꎮ荷载下降到极限承载力８０％时ꎬ结束曲线绘制ꎮW /mmW /mmW /mm F /k NF /k N F /k N 位移计5位移计6位移计5位移计6位移计5位移计6(ａ)Ｖ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｂ)Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｃ)Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０图８㊀荷载－侧向挠度曲线Ｆｉｇ.８㊀Ｌｏａｄ￣ｌａｔｅｒａｌｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｕｒｖｅ从图７㊁图８可以得出:１)冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁通过背靠背连接ꎬ可以共同受力ꎬ达到了变形一致的效果ꎮ２)每个试件在加载初期均处于弹性阶段ꎬ随着荷载的增加ꎬ试件发生塑性变形ꎬ直到试件极限承受能力ꎬ荷载则减少到试件极限承受能力的８０％ꎬ停止加载ꎮ３)纯弯试验下ꎬ短跨梁的承载力远高于长跨梁的承载力ꎬ而且所有荷载－跨中竖向挠度曲线的下降段较平缓ꎬ这是由于试验所选奥氏体不锈钢０２２Ｃｒ１９Ｎｉ１０具有强度高㊁延性好的特点ꎮ４)试件Ｖ０的极限承载能力高于试件Ｖ２的极限承载能力ꎬ其原因是:非纯弯试验中ꎬ弯矩和剪力之间可能存在交互作用ꎬ这种交互作用会影响试件的承载能力ꎬ进而导致试件的极限承载力增加ꎮ２.４㊀荷载－应变曲线图９给出了所有试件在受压翼缘和加劲处的荷载－应变曲线ꎮ观察发现:１)冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢短梁在进行纯弯试验时ꎬ试件受压翼缘处的应变值先正后负ꎮ这是因为短梁的加载过程中ꎬ由于梁的长度较短ꎬ受力状态和应变分布会出现局部集中的情况ꎬ导致强烈的非均匀性和应变集中现象ꎮ２)试件Ｖ０和Ｖ２在加劲处为压应变ꎬ试件Ｖ１在加劲处为拉应变ꎬ分别表示鼓曲为向内向外鼓曲ꎬ与试验现象吻合ꎮ３)所有试件加劲处的拉压应变值均较小ꎬ可以有效地限制鼓曲的发展ꎮ４)在不同加载方式下ꎬ试件Ｖ０受压翼缘处的应变值小于试件Ｖ２受压翼缘处的应变值ꎬ且发生畸变屈 ６２ 南昌大学学报(工科版)２０２４年㊀曲时的荷载较大ꎬ如图９(ａ)㊁(ｃ)所示ꎮ在非纯弯试验中ꎬ由于加载方式的不同ꎬ弯矩分布变得不均匀ꎬ且试件同时受到弯矩和剪力的作用ꎬ试件的结构特性可以更好地发挥ꎬ使得试件的极限承载力有所提高ꎮ５)随着跨度的增加ꎬ受压翼缘处应变增大ꎬ且发生屈曲的荷载减小ꎬ如图９(ｂ)㊁(ｃ)所示ꎮ屈曲后试件的变形发展速度越来越快ꎬ长跨梁较短跨梁变形越明显ꎮ(ａ)Ｖ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｂ)Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０(ｃ)Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０图９㊀荷载－应变曲线Ｆｉｇ.９㊀Ｌｏａｄ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ３㊀基于直接强度法的验算㊀㊀Ｓｃｈａｆｅｒ等[１６]首次提出直接强度法ꎬ并在之后进一步提出了规范版的直接强度法条文ꎻ 北美冷弯型钢构件设计规范 (ＡＩＳＩＳ１００ ２００１)将此方法列入附录１ꎬ澳大利亚/新西兰 冷弯型钢设计规范 (ＡＳ/ＮＺＳ４６００:２００５)也将此方法列入其中ꎮ杜利[１７]利用直接强度法经修正计算了卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力ꎮ本文利用张骥[１８]修正的一种基于直接强度法的Ｖ型加劲Ｃ形截面不锈钢梁畸变屈曲承载力计算公式验算试验结果ꎬ公式如下:Ｍｎｄ＝Ｍｙꎬλɤ０.６７３１λ－０.２２λæèçöø÷Ｍｙꎬλ>０.６７３ìîíïïïï(１)式中:Ｍｎｄ为Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力ꎻＭｙ为试件受弯部分边缘屈服弯矩ꎻλ为畸变屈曲长细比ꎮ其中λ＝１.０５２－０.２１３６５ｘ＋１.０９３７ｗｔæèçöø÷ｆＥ式中:ｘ为翼缘加劲位置ꎻｗ/ｔ为试件翼缘宽厚比ꎻＥ为不锈钢材料弹性模量ꎻｆ为不考虑安全系数的板件最大受压边缘应力ꎮ卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力试验结果与计算结果对比见表３ꎮ对比结果发现ꎬ此公式不能准确预测卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲的承载力ꎬ平均偏差达到９３.３％ꎮ表３㊀畸变屈曲承载力试验结果与计算结果对比Ｔａｂ.３㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ试件编号Ｍｔｅｓｔ/(ｋＮ ｍ)Ｍｎｄ/(ｋＮ ｍ)ΔＺ/％Ｖ０￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０２１.２５３９.５０８５.８Ｖ１￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０２１.１４３９.５０８６.８Ｖ２￣Ｈ２５０Ｂ７５ａ２０１９.５０３９.５０１０７.３㊀㊀注:Ｍｔｅｓｔ为卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力的试验结果ꎻＭｎｄ为卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力使用式(１)的计算结果ꎻΔＺ为卷边Ｃ形不锈钢梁畸变屈曲承载力的式(１)计算数据与试验结果的误差ꎮ４㊀结论㊀㊀１)对３组冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁进行承载力试验ꎬ所有试件的破坏模式均为畸变屈曲ꎮ且Ｖ形加７２ 第１期㊀㊀㊀㊀㊀陶忠等:冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁的力学性能试验８２ 南昌大学学报(工科版)２０２４年㊀劲有效地减少了试件的宽厚比ꎬ有效地限制了鼓曲的发展ꎮ２)加载条件与跨度是影响受弯试件承载能力的重要因素ꎮ在不同的加载条件下ꎬ试件在非纯弯试验下的极限承载力和刚度均比试件在纯弯试验下高ꎮ随着冷弯薄壁卷边Ｃ形不锈钢梁跨度的增大ꎬ试件的受弯极限承载力和刚度均减小ꎮ但是短跨梁在纯弯试验下会产生应力集中ꎬ导致强烈的非均匀性和应变集中现象ꎬ容易发生局部塑性变形㊁裂纹扩展㊁断裂等破坏ꎬ从而降低梁的强度和寿命ꎮ３)基于直接强度法进行验算ꎬ现有的不锈钢梁畸变屈曲承载力修正公式不能准确预测出试件的畸变屈曲承载力ꎬ直接强度法计算公式的修正有待进一步完善ꎮ参考文献:[１]㊀ＢＵＲＧＡＮＢＡꎬＢＡＤＤＯＯＮＲꎬＧＩＬＳＥＮＡＮＫＡ.Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｍｅｍｂｅｒｓ:ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＥｕｒｏｃｏｄｅ３ꎬＰａｒｔ１.４ａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０００ꎬ５４(１):５１￣７３.[２]ＨＵＡＮＧＹＥꎬＹＯＵＮＧＢ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｌｅａｎｄｕｐｌｅｘｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｆｌｅｘｕｒａｌｍｅｍｂｅｒｓ[Ｊ].Ｔｈｉｎ￣ＷａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１３ꎬ７３:２１６￣２２８.[３]ＢＲＥＤＥＮＫＡＭＰＰＪꎬＶＡＮＤＥＮＢＥＲＧＧＪ.Ｔｈｅｌａｔｅｒａｌｔｏｒｓｉｏｎａｌｂｕｃｋｌｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｓ[Ｃ]//１２ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｌｄ￣ＦｏｒｍｅｄＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬＯｃｔｏｂｅｒ１８￣１９ꎬ１９９４.ＳａｉｎｔＬｏｕｉｓꎬＭｉｓｓｏｕｒｉ:ＭｉｓｓｏｕｒｉＵ￣ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９４.[４]ＭＥＲＷＥＰＶＤꎬＷＹＫＭＶꎬＢＥＲＧＧＪ.Ｌａｔｅｒａｌｔｏｒｓｉｏｎａｌｂｕｃｋｌｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｄｏｕｂｌｙｓｙｍｍｅｔｒｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｂｅａｍｓ[Ｃ]//１０ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｌｄ￣ＦｏｒｍｅｄＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬＯｃｔｏｂｅｒ２３￣２４ꎬ１９９０.ＳａｉｎｔＬｏｕｉｓꎬＭｉｓｓｏｕｒｉ:ＭｉｓｓｏｕｒｉＵｎｉｖｅｒ￣ｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９０.[５]王元清ꎬ高博ꎬ戴国欣ꎬ等.焊接不锈钢工字形截面梁整体稳定性试验研究[Ｊ].建筑结构学报ꎬ２０１１ꎬ３２(１１):１４３￣１４８. [６]ＮＩＵＳꎬＲＡＳＭＵＳＳＥＮＫＪＲꎬＦＡＮＦ.Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｌ￣ｇｌｏｂａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＣ￣ｂｅａｍｓ:ｐａｒｔＩ￣ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓ￣ｔｉｇａｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１４ꎬ９６:１２７￣１３９.[７]ＮＩＵＳꎬＲＡＳＭＵＳＳＥＮＫＪＲꎬＦＡＮＦ.Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｌ￣ｇｌｏｂａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＣ￣ｂｅａｍｓ:ｐａｒｔⅡ￣ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙａｎｄｄｅｓｉｇｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌＳｔｅｅｌＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１４ꎬ９６:４０￣５３.[８]丁智霞.考虑局部屈曲卷边Ｃ形截面不锈钢构件承载力研究[Ｄ].南京:东南大学ꎬ２０１７.[９]ＲＯＳＳＩＢꎬＪＡＳＰＡＲＴＪＰꎬＲＡＳＭＵＳＳＥＮＫＪＲ.Ｃｏｍｂｉｎｅｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎａｌａｎｄｏｖｅｒａｌｌｆｌｅｘｕｒａｌ￣ｔｏｒｓｉｏｎａｌｂｕｃｋｌｉｎｇｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｓｔａｉｎ￣ｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｅｃｔｉｏｎｓ:ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１０ꎬ１３６(４):３５４￣３６０.[１０]赵金友ꎬ王钧ꎬ董俊巧.Ｇ５５０高强冷弯薄壁槽钢受弯构件力学性能与设计方法[Ｊ].土木建筑与环境工程ꎬ２０１６ꎬ３８(５):９９￣１０７.[１１]陶忠.腹板中间Ⅴ型加劲卷边槽钢柱单波型和多波型相关屈曲性能分析和试验研究[Ｄ].西安:西安建筑科技大学ꎬ２０００.[１２]叶文华.工程中常用截面的冷弯钢构件的优化和设计[Ｄ].宁波:宁波大学ꎬ２０１８.[１３]赵金友ꎬ高熙皓ꎬ饶敏ꎬ等.Ｇ５５０高强冷弯薄壁卷边槽钢受弯构件承载力直接强度法研究[Ｊ].建筑科学ꎬ２０１８ꎬ３４(３):４３￣４８.[１４]全国钢标准技术委员会.金属材料㊀拉伸试验㊀第１部分:室温试验方法:ＧＢ/Ｔ２２８.１ ２０２１[Ｓ].北京:中国标准出版社ꎬ２０２１.[１５]王子龙.腹板Ｖ形加劲的冷弯卷边槽钢轴压下局部和畸变屈曲分析[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工业大学ꎬ２００６.[１６]ＳＣＨＡＦＥＲＢＷꎬＰＥＫÖＺＴＴ.Ｄｉｒｅｃｔｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｃｏｌｄ￣ｆｏｒｍｅｄｓｔｅｅｌｍｅｍｂｅｒｓｕｓｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｅｌａｓｔｉｃｂｕｃｋｌｉｎｇｓｏｌｕｔｉｏｎｓ[Ｃ]//１４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｌｄ￣ＦｏｒｍｅｄＳｔｅｅｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬＯｃｔｏｂｅｒ１５ꎬ１９９８.ＳａｉｎｔＬｏｕｉｓꎬＭｉｓｓｏｕｒｉ:Ｍｉｓ￣ｓｏｕｒｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ１９９８.[１７]杜利.卷边Ｃ形截面不锈钢受弯构件畸变屈曲承载力研究[Ｄ].南京:东南大学ꎬ２０１９.[１８]张骥.Ｖ型加劲Ｃ形截面不锈钢梁畸变屈曲承载力试验及模型化研究[Ｄ].昆明:昆明理工大学ꎬ２０２２.(责任编辑:邱俊明)。
冷弯薄壁卷边C形不锈钢梁的力学性能试验
陶忠;叶彩凤;皇甫双娥;燕钊
【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》
【年(卷),期】2024(46)1
【摘要】为了研究冷弯壁薄卷边C形钢受弯构件的力学性能,以冷弯薄壁不锈钢梁为研究对象,重点研究加载条件、跨度对构件屈曲模式和受弯承载力的影响。
结果发现:试件的加载条件和跨度对冷弯薄壁卷边C形钢受弯构件屈曲模式和极限承载力的影响显著,纯弯加载下的短梁极限承载力高达169.1 kN,破坏模式为畸变屈曲,其余试件破坏模式也为畸变屈曲;腹板V型加劲能够有效抑制腹板鼓曲的产生,提高试件的极限承载力。
利用现有直接强度法修正公式的计算结果与试验结果进行对比,以验证公式的准确性。
【总页数】8页(P21-28)
【作者】陶忠;叶彩凤;皇甫双娥;燕钊
【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院;云南省抗震技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TU391
【相关文献】
1.锈损冷弯薄壁C形钢梁受弯承载力试验研究
2.高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件畸变屈曲控制试验研究
3.高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面轴压构件试验
研究及承载力分析4.高强冷弯薄壁型钢卷边槽形截面偏压构件试验研究及承载力分析5.纵向V型肋卷边C形不锈钢梁抗弯承载力试验研究
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冷弯薄壁C形钢檩条加固承载力试验研究冷弯薄壁型钢作为一种新型的高效型材,因其材料轻质高强,加工设备简单便捷,被广泛应用于工业、农业及民用建筑中。
冷弯薄壁C型钢檩条常作为围护结构应用于钢结构工业厂房中,起到减小屋面跨度且方便屋面板铺设的作用。
由于土地资源有限,近几年数家能源公司在全国多个地方,采用在轻钢结构工业厂房房顶增设光伏设备用以发电,光伏设备造成原厂房超载,需要对C型钢檩条和原钢框架进行加固,本文以河南省焦作市中轴集团东风工业园厂房顶增设光伏设备为例,研究探讨对C型钢檩条的加固方法。
针对冷弯薄壁C型钢檩条的屈曲模式,本文提出了两种加固方案,采用试验和有限元模拟两种方法进行研究。
具体研究内容如下:(1)在冷弯薄壁C型钢檩条的开口侧增设连接缀板。
考虑缀板宽度和缀板间距两个变量进行研究,首先采用试验方法,分析檩条最不利截面处的荷载-位移曲线及荷载-应变曲线。
讨论不同加固方式下檩条的极限承载力提高程度。
其次,考虑材料非线性、几何非线性等因素,选取合理本构关系,建立有效的加固后的C型钢檩条有限元模型,分析不同加固方式的加固效果。
将试验研究与有限元模拟计算结果进行对比分析。
分析结果表明:增设连接缀板加固C型钢檩条卓有成效。
加固后的檩条抗弯刚度与极限承载力均有明显提高,且加固效果随着连接缀板的宽度的增大和缀板间布置间距的减小而提高。
(2)利用C型薄壁钢板将两根简支的冷弯薄壁C型钢檩条连接成为连续檩条。
分别使用自攻螺钉和粘结剂进行连接,首先进行试验研究,对试验结果进行分析,分析檩条最不利截面处的荷载-位移曲线,讨论不同连接方式下加固后檩条的极限承载力提高程度。
其次,建立有限元计算模型,分析不同连接方式下加固后檩条的加固效果。
将试验研究与有限元模拟计算结果进行对比分析,讨论加固的有效性。
分析结果表明:当使用粘结剂对檩条及C型薄壁钢板进行连接时,加固后的连续檩条整体抗弯刚度提升较大,极限承载力表现也较为良好;仅用自攻螺钉对檩条及C 型薄壁钢板进行连接时,自攻螺钉的位置对连续檩条的加固效果影响较大。
冷弯薄壁C形槽钢畸变屈曲的试验研究一、前言- 研究目的与意义- 研究背景与现状- 研究方法与步骤二、理论分析- 冷弯薄壁C形槽钢的基本性能介绍- 畸变、屈曲的概念及原因分析- 畸变、屈曲影响因素的分析三、试验设计- 试验设备与工具的介绍- 试样的制备及选取- 试验参数的设计四、试验结果与分析- 实验结果的记录和图表呈现- 对比分析不同参数对于畸变、屈曲影响- 对结果的分析和讨论五、结论与展望- 实验结论及分析- 研究局限性分析- 未来方向和建议注：根据实际研究的情况，每个章节的内容和分配比例可以进行适当调整。
一、前言随着现代工业的不断发展，冷弯薄壁C形槽钢已成为现代建筑和机械工程中不可或缺的一部分。
因此，研究冷弯薄壁C形槽钢的力学性能显得非常重要。
本文通过试验研究冷弯薄壁C形槽钢的畸变和屈曲性能，旨在为相关工程项目提供理论支持。
本文的研究目的是探讨冷弯薄壁C形槽钢在不同参数条件下的畸变和屈曲特性。
研究结果将有助于优化工程结构设计和生产加工过程，提高冷弯薄壁C形槽钢的使用效率和安全性。
二、理论分析2.1 冷弯薄壁C形槽钢的基本性能介绍冷弯薄壁C形槽钢是一种轻型型钢，具有优异的力学性能、良好的成型性能和较低的生产和加工成本。
其横截面为C形，因此还具有较好的抗扭性能。
冷弯薄壁C形槽钢广泛应用于轻型钢结构、建筑、机械、仓储及家具等领域，具有很大的市场潜力。
2.2 畸变、屈曲的概念及原因分析畸变是指在荷载作用下，物体发生的非均匀形变。
在冷弯薄壁C形槽钢的应用过程中，由于外部环境和荷载的影响，可能会出现畸变现象。
畸变的原因可能是材料本身的不均匀性或加工过程中的误差等。
屈曲则是指在外部作用力下，物体的抗弯性能不足以抵抗力的作用而产生的失稳现象。
在冷弯薄壁C形槽钢中，当扭曲和弯曲作用在物体上时，物体可能会出现屈曲现象。
屈曲的原因可能是材料强度不足、截面形状不规则等。
2.3 畸变、屈曲影响因素的分析畸变和屈曲性能是冷弯薄壁C形槽钢的重要性能之一，受到多种因素的影响。
冷弯薄壁C型钢轴压短柱受力性能试验研究侯业;赵根田;孙阳;陈明;侯敏乐【摘要】对冷弯薄壁C型钢轴压短柱的受力性能和破坏模式进行了试验研究.设计的截面形式为用节点板和螺栓连接的双肢背对背C型钢,试件共7个,并对其进行了轴压承载力试验.研究了该短柱在轴向压力作用下C型钢型号(翼缘宽厚比)、节点板厚度和节点板间距对短柱受力性能的影响.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2011(030)003【总页数】5页(P258-262)【关键词】冷弯C型钢;节点板连接;轴压短柱;受力性能【作者】侯业;赵根田;孙阳;陈明;侯敏乐【作者单位】包头市市政工程管理处,内蒙古包头014030;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;包头市市政工程管理处,内蒙古包头014030【正文语种】中文【中图分类】TU392.1冷弯型钢是一种经济性能较好的截面形式，它是以热轧或冷轧带钢为坯料经弯曲成型制成的各种截面形状尺寸的型钢［1，2］.目前，冷弯型钢主要应用在下列3个领域［3～5］: (1)轻钢工业建筑的主要构件.如建筑结构骨架等; (2)低层钢结构住宅(一般为3层以下);(3)建筑领域和市政建设需要的冷弯型钢，以及各种临时建筑等.本文对冷弯薄壁C型钢轴压短柱的受力性能和破坏模式进行了研究.设计了截面形式为双肢背对背用节点板和螺栓连接的形式的短柱，共7个，并对其进行了轴压承载力试验.研究了该短柱在轴向压力作用下C型钢型号(翼缘宽厚比)、节点板厚度和节点板间距对短柱受力性能的影响.根据试验结果对冷弯薄壁型钢的组合截面形式提出设计建议，以适应冷弯薄壁型钢构件的工程应用.本试验构件的构造是冷弯薄壁C型钢短柱形式，其构造是通过普通螺栓将两块冷弯薄壁C型钢以背对背的形式连接在一起，并在柱的两端和中间处夹有钢板以作为节点板，螺栓将节点板和两块冷弯薄壁C型钢紧紧的连接在一起.经过初步的受力分析可知，影响冷弯薄壁C型钢轴压短柱的受力性能和破坏模式的主要因素有: C型钢型号、螺栓的直径、间距和等级、节点板间距和节点板的厚度等.本试验将主要考虑3个影响因素:C型钢型号、节点板厚度和节点板间距.通过试验研究探索短柱荷载-位移和应力-应变的情况.试验共准备7个试件，根据上述3个影响因素将其分为3组.将7个冷弯C型钢短柱试件进行轴压加载试验，研究不同型号型钢、不同节点板间距和不同节点板厚度试件的受力性能，得到试件在轴向压力作用下的荷载-位移曲线和应力-应变曲线，并对试件的破坏机理、最终破坏模式、极限承载力进行相应的对比分析.1.2.1 试件截面尺寸与试件长度短柱试件截面为冷弯薄壁C型钢双肢背对背用节点板和螺栓连接的形式.节点板形状规则，为长方形;用直径为12mm的普通螺栓连接.试件及试件的截面形式如图1所示.试件编号及尺寸见表1.1.2.2 测点布置每个试件布置11片应变片，其中试件中央处布置7片如图2(a)，距上端板L/4处布置4片如图2 (b)，这些应变片是用来测定试件的局部屈曲临界荷载以及加载前对试件对中.同时布置7个位移计，用来测量试件压缩位移和弯曲位移.其中，水平方向位移计为6个，分别布置在距上端板L/4，L/2，3L/4处的翼缘和腹板上;垂直方向位移计为1个，布置在短柱的下端板上.试验采用YES-500型液压式压力试验机加载. C140试件采用单刀铰加载装置如图3所示，C160和C250试件采用单刀铰加载装置端板的厚度不同.考虑到刀口的高度与端板的厚度，在后续计算中，C140试件绕弱轴方向计算长度为L y=L+100，绕强轴方向计算长度为L x=L+180;C160和C250试件绕弱轴方向计算长度为Ly=L+204，绕强轴方向计算长度为L x=L+284，L为试件长度.按照上述加载制度进行试验，在试验过程中随时观察并记录试验现象.试件典型的破坏现象和破坏特征，如图4(a)，(b)所示.试件试验现象和破坏特征归纳总结如下: 所有试件最终整体破坏模式为绕弱轴的弯曲失稳破坏，最终破坏模式均为局部和整体的相关屈曲，最终的破坏机构为试件中部发生弯曲，试件局部屈曲如图4(a)所示，试件整体弯曲失稳破坏如图4 (b)所示.所有试件在出现整体屈曲之前均出现了明显的局部屈曲现象.在加载过程中，试件的扭转变形不大.在节点板间距相同，节点板厚度相同，C型钢型号不同(即翼缘宽厚比不同)的情况下，试件均出现了不同程度腹板凹凸的局部屈曲现象并较为明显，首先出现了局部屈曲并较为明显的是试件C140-1，其次是试件C160，最后是试件C250.试件破坏后，试件均发生整体弯曲失稳，没有发生螺栓滑移;在试件同一截面处，若腹板发生外凸变形，则翼缘发生向内凹曲，反之亦然.根据荷载测量数据可知，试件的极限承载力随着型钢型号的加大而增大，即翼缘宽厚比愈大承载力愈大;根据变形图与位移计测量值分析可知，随着型钢型号(翼缘宽厚比)的加大，试件发生的变形愈大.在节点板间距相同，C型钢型号相同(即翼缘宽厚比相同)，节点板厚度不同的情况下，试件选择型钢C140，试件均出现了不同程度腹板凹凸的局部屈曲现象并较为明显，首先出现局部屈曲现象的是试件C140-1，其次是C140-3，最后是试件C140-2.试件破坏后，试件均发生整体弯曲失稳，没有发生螺栓滑移;在试件同一截面处，若腹板发生外凸变形，则翼缘发生向内凹曲，反之亦然.根据荷载测量数据可知，试件的承载力随着节点板厚度的增加而增大;根据位移计数据可知，随着节点板厚度的增加，试件发生的变形愈大.在C型钢型号相同(即翼缘宽厚比相同)，节点板厚度相同，节点板间距不同的情况下，试件均出现了不同程度腹板凹凸的局部屈曲现象并较为明显，首先出现局部屈曲现象的是试件C140-4，其次是试件C140-5，最后是试件C140-1.试件破坏后，试件均发生整体弯曲失稳，没有发生螺栓滑移;在试件同一截面处，若腹板发出外凸变形，则翼缘发生向内凹曲，反之亦然.根据荷载测量数据可知，试件的承载力随着节点板间距的减小而增大;根据位移计数据可知，随着节点板间距的减小，试件发生的变形愈大.1.5.1 荷载-绕弱轴弯曲位移曲线试件腹板上距上端板L/4，L/2，3L/4处布置的3个位移计分别为3号，59号，1号，它们可测得荷载-绕弱轴弯曲位移曲线，该曲线可以直观地反映试件的对中、扭转及弯曲变形情况.当试件在对中良好的情况下，试件在初级加载阶段基本没有绕弱轴的弯曲位移，荷载-绕弱轴弯曲位移曲线表现为沿纵坐标轴垂直向上，否则荷载-绕弱轴弯曲位移曲线将偏离坐标纵轴;随着荷载的增加，3号，59号，1号位移计的位移值是否出现较大变化，则反映试件扭转及绕哪个部位出现弯曲变形较大.根据采集的数据得到了试件的荷载-绕弱轴弯曲位移曲线，各试件曲线如图5所示. 从图5可以看出，各试件在达到极限承载力之前，1号位移计、3号位移计和59号位移计的位移值基本相同，曲线基本吻合，试件破坏之后除C140-3的位移值偏移量稍大外，其余各试件的绕弱轴位移偏移量均较小，以上现象均说明试件在试验过程中基本没有出现扭转变形，各试件整体失稳模式均为绕弱轴的弯曲屈曲.从图5还可以看出，试件破坏后，试件C140-1的59号位移计的位移值大于1号、3号位移计测量得到的位移值，说明试件C140-1在59号位移计处，即试件中部发生弯曲屈曲变形最大;试件C140-2则在1号位移计处，即距上端板3L/4处发生弯曲屈曲变形最大;试件C140-3在3号位移计处发生弯曲屈曲变形最大;试件C140-4在59号位移计处发生弯曲屈曲变形最大;试件C140-5在59号位移计处发生弯曲屈曲变形最大;试件C160在59号位移计处发生弯曲屈曲变形最大;试件C250在59号位移计处发生弯曲屈曲变形最大.从上述最大弯曲屈曲变形部位可知，试件大部分在中间部位发生最大弯曲屈曲变形.1.5.2 试件破坏模式本次试验共完成冷弯薄壁C型钢短柱试件3组，共7个.通过试验得到了7个试件的极限承载力及其相应的破坏模式，见表2.表2中破坏模式为综合分析试验数据后确定的，所有试件的最终破坏模式均表现为局部屈曲和整体屈曲耦合破坏.通过试验可以得出如下结论:(1)所有试件在出现整体屈曲之前均出现了明显的局部屈曲现象，破坏模式均为局部和整体的相关屈曲，其最终整体破坏为绕弱轴的弯曲失稳破坏.(2)在节点板间距和厚度不变的情况下，试件的极限承载力随着型钢型号的逐渐加大而出现大幅度的递增趋势，即随着翼缘宽厚比的逐渐增大，试件的极限承载力呈现明显的增加.(3)在节点板间距和C型钢型号(即翼缘宽厚比)不变的情况下，当节点板厚度从4 mm增加到5 mm，试件的极限承载力增加的较为明显，当节点板厚度从5 mm增加到6 mm，试件的极限承载力增加的甚小.(4)在C型钢型号(即翼缘宽厚比)和节点板厚度不变的情况下，当节点板间距从440 mm增加到460 mm时，试件的极限承载力随着节点板间距的减小而增大.【相关文献】［1］陈绍蕃.钢结构(第二版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.［2］ GB50018—2002，冷弯薄壁型钢结构技术规范［S］.［3］张宜涛.壁厚2 mm以下冷弯槽钢轴压柱试验与设计方法研究［D］.西安:西安建筑科技大学，2008.［4］周丽红.高强冷弯薄壁型钢轴压短柱试验与理论研究［D］.西安:长安大学，2007.［5］郭彦林，张婀娜.卷边翼缘工形截面构件在轴心压力作用下的稳定承载力研究［J］.工业建筑，2009，39 (9):18-21.。
第46卷 第1期华北理工大学学报(自然科学版)V o l .46 N o .12024年01月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )J a n .2024收稿日期:2023-06-02 修回日期:2023-12-18基金项目:国家自然科学基金面上项目(51678237);河北省自然科学基金面上项目(51678237);河北省优秀专家出国培训项目(201691);河北省自然科学基金面上项目(E 20212091217);河北省教育厅科技重点项目(Z D 2020139)㊂ 第一作者:雷超,男,汉族,湖南长沙人,在读研究生,E -m a i l :1824213362@q q.c o m. 通讯作者:韩建强,男,汉族,河北永年人,工学博士,教授,硕士生导师㊂研究方向:材料力学㊂E -m a i l :h j q@n c s t .e d u .c n . D O I :10.3969/j.i s s n .2095-2716.2024.01.012文章编号:2095-2716(2024)01-0097-05冷弯薄壁C 型钢组合桁架梁受力性能试验研究雷超1,张佳琪1,韩建强1,2,付秀艳1,唐江明3(1.华北理工大学建筑工程学院,河北唐山063210;2.河北省地震工程研究中心,河北唐山063210;3.邯郸建工集团有限公司,河北邯郸056001)关键词:冷弯薄壁型钢;组合桁架梁;承载力;缀板;自攻螺钉摘 要:随着我国绿色建筑发展的不断推进,轻钢结构开始展露头角㊂冷弯薄壁型钢作为新型建筑材料,在轻钢建筑中仍有较大的发展空间,因此对冷弯薄壁型钢的受力性能进行分析具有一定程度的工程价值㊂首先开展C 型钢组合桁架梁承载力和变形实验,在此基础之上利用A B A Q U S 建立C 型钢组合桁架梁有限元模型,分析有无缀板㊁自攻螺钉等因素对于组合桁架梁承载力的影响㊂本文的实验结果表明裸露的骨架梁由于自攻螺钉的剪切而损坏,最终的承载能力取决于螺钉的抗剪能力;缀板的加固对提高梁的承载能力有着显著的影响㊂中图分类号:T U 392.5 文献标识码:A引言随着我国绿色建筑发展的不断推进,轻钢结构开始展露头角㊂冷弯薄壁型钢作为新型建筑材料,在轻钢建筑中仍有较大的发展空间,因此对冷弯薄壁型钢的受力性能进行分析具有一定程度的工程价值[1]㊂目前,国内已开展了大量的冷弯薄壁钢管的研究工作㊂陈健[2]利用有限元软件建立了一个具有20个自由度的四节点扁壳单元㊂周旭红[3]的近期研究工作表明冷成型承压构件㊁端部斜杆㊁垂直斜杆的有效长度均为1.0L ,其他构建等效长度为0.9L ,其中L 为构件几何长度㊂管宇[4]以"C "形底面与"U "形边梁及压型钢板的连接形式为对象进行了相关研究,该研究可以有效提高自攻式螺丝在楼板间的位移性能㊂周立红[5]等人认为在高b /t 的情况下,高强钢的部分锁止有效截面对构件的承载力起着重要作用㊂卜良涛[6]采用板件粘贴法对板件进行加固,有效避开了传统焊法中的明火,提高了焊法的安全性和舒适性㊂结果表明,贴装钢板后,梁的承载力及极限承载力均有明显的提高,而贴装钢板后,其承载力亦有所提高㊂谢阳[7]针对结构件老化存在设计隐患的问题采用加强梁的支撑和减小梁跨径的方法,改变了梁受拉方式,从而提高了梁受力㊂刘华刚[8]等人通过对二次荷载钢梁及其连接板的弯曲试验,认为梁的承载力随连接板厚度的增大而增大;但是,在某一厚度范围内,梁的承载能力并没有得到明显的改善㊂1试验设计1.1 试件设计本试验探究无缀板和不同缀板数量条件下桁架梁承载能力和变形情况,以期得到合理科学的桁架梁组合形式,从而为工程实际应用提供参考㊂根据规范[9]和工程实际具体情况,选用S 550-A Z 150型号的冷弯薄壁C 型钢,该型号钢材表面采用镀锌处理从而达到抗腐蚀的效果,其屈服强度为550M P a㊂试验梁的结构设计见图1,其几何参数分别为长2400mm ,高320mm ㊂且为保证腹杆的端部受力后,不与上下弦杆相接触从而保证安全,特将竖向腹杆尺寸设计为316mm ,斜腹杆尺寸设计为433mm ,桁架梁具体参数见表1.图1 桁架梁设计示意图(单位:mm )表1 桁架梁部件尺寸各零部件编号名称数量/根长度/mm A端部腹杆2316B 斜腹杆6433C 竖向腹杆5316D上弦杆12440E下弦杆124401.2 加载方案为了保证试验的正常开展在正式实验之前采用预加载来测试实验设备是否正常运行㊂每次预加载最大载荷小于最大承载力的30%,并分三级进行加载㊂在正式实验环节试验力以1k N 为梯度逐渐递增,每次加载保持120s 以获得稳定试验结果㊂1.3 材料力学性能试验拉伸试验样件尺寸参数参考‘金属材料拉伸试验室温试验方法“(G B /T 228-2010)确定[10]㊂为减小实验误差,按照国标制备3组样件,分别标记为0.8-1㊁0.8-2和0.8-3,样件制备完成以后使用WDW -100k N 微控电子万能试验按照上述参数开展拉伸试验㊂图2所示为拉伸前的试件,拉伸断裂样件如图3所示㊂图2 拉伸前的试件 图3 拉伸后的试件经试验测得3组样件极限抗拉强度㊁屈服强度和弹性模量如表2所示,自攻螺钉抗剪试验的数据如表3所示㊂89 华北理工大学学报(自然科学版) 第46卷表2 材料的强度和弹性模量试件编号极限抗拉强度/M P a屈服强度/M P a弹性模量/(N ㊃mm-2)1606.1569.7188.62606.4568.5187.13610.7570.3192.7平均值607.7569.5189.5表3 螺钉的受力性能试件编号实测值/k N平均值/k N破坏形式14.323.94.1孔壁变形;斜拔破坏34.12组合桁架梁受力性能试验2.1 加载方案和装置无缀板的组合桁架梁加载装置如图4所示,通过千斤顶对桁架梁进行外力加载,分配梁下部焊接两个半环形凹槽,间距0.8m ,凹槽下各放置一个柱形滚轴,压在梁加载点位置的垫片上㊂力传感器连接数据采集器,加载速率和荷载大小由读数控制㊂桁架梁挠度的数据采集系统由L V D T 位移传感器和s t r a i nb o o k 系统构成,外力加载点和挠度测量点如图5所示㊂图4 试验加载装置图5 测点布置图2.2 试验现象与破坏形式3个冷弯薄壁型钢组合梁分别为:L 1为不加缀板的桁架梁,L 2为单侧附加缀板,L 3为双侧都附加缀板的桁架梁㊂组合桁架梁L 1加载至5.94k N 时,斜拔的螺钉被剪断,停止加载,图6为L 1的破坏特征图;单侧附加缀板的组合桁架梁L 2加载至10.6k N ,垫片位置上弦杆腹板发生弯折,承载力下降,构件破坏,图7为L 2破坏时的局部特征;双侧附加缀板的组合桁架梁L 3加载至22.8k N 时,附加缀板发生局部屈曲,图8为L 3破坏时的局部特征㊂99 第1期 雷超,等:冷弯薄壁C 型钢组合桁架梁受力性能试验研究图6 L 1的破坏特征图 图7 L 2的破坏特征图图8 L 3的破坏特征图试验所得各试件极限承载力如表4所示㊂试验表明,试验梁L 3加固效果更好㊂同样情况下,单侧缀板的梁比无缀板的梁的承载力提高78.45%左右,双侧缀板的加固相比于单侧缀板的加固桁架梁极限承载力可提高115.09%左右㊂三根梁的荷载挠度曲线如图9所示㊂表4 梁的极限承载力梁编号极限承载力/k N比L 1理论值增长/%L 1理论值P u 5.21-L 15.9414.10L 210.60103.45L 322.80337.6图9 梁的荷载挠度曲线001 华北理工大学学报(自然科学版) 第46卷3冷弯薄壁C 型钢组合梁数值分析为验证试验的准确性,使用S A P 2000软件建立组合桁架梁L 1㊁L 2和L 3模型并导入A B A Q U S 进行有限元仿真分析㊂在建模中由于无法真正模拟实际试验时的自攻螺钉连接方式,所以模拟中采取耦合(即焊接)的约束方法㊂仿真分析中实验材料参数参考S 550冷弯薄壁型钢,弹性模量设置为E =189.5ˑ103M P a,泊松比μ取0.3屈服应力σ=569.5M P a ,密度为7850k g/m 3,并且设置为各向同性材料㊂图10㊁图11㊁图12分别为桁架梁L 1㊁L 2㊁L 3受力变形云图㊂图13为3根梁的数值分析荷载-跨中挠度曲线㊂图10 桁架梁L 1受力变形云图图11 桁架梁L 2受力变形云图 图12 桁架梁L 3受力变形云图图13 梁的荷载-跨中挠度曲线数值分析结果4结论(1)单侧缀板比裸骨架梁的极限承载力提高60.8%,双侧缀板加固比单侧缀板加固的桁架梁极限承载力提高了138%左右,工程中可根据实际受力特征,采取适当的加强措施;(2)组合桁架梁的受力变形过程分为3个阶段,第一阶段为弹性阶段,荷载-位移曲线近似为斜直线,第二阶段为弹塑形阶段,第三阶段为破坏阶段,曲线呈下降趋势㊂无附加缀板的冷弯薄壁C 型钢组合梁一般发生自攻螺钉的剪断破坏,附加缀板的冷弯薄壁C 型钢组合梁一般由于缀板局部屈曲导致结构整体破坏;(3)由试验的荷载-应变关系曲线可看出,冷弯薄壁C 型钢组合梁随着附加缀板数量的增加,梁的承载力提高明显,刚度越来越大㊂101 第1期 雷超,等:冷弯薄壁C 型钢组合桁架梁受力性能试验研究201华北理工大学学报(自然科学版)第46卷参考文献:[1]王宏.开创钢结构产业科学发展新局面--近二十年国内钢结构的发展与特点[J].中国住宅设施,2007,(09):31-33.[2]陈剑,顾强,陈绍蕃.薄壁卷边槽钢梁板件相关屈曲分析及受压翼缘的有效宽厚比(Ⅰ)[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),1996,28(1):14-18.[3]石宇,周绪红,管宇,等.冷弯薄壁型钢屋架受力性能及杆件计算长度研究[J].建筑结构学报,2019,40(11):81-89.[4]管宇,周绪红,姚欣梅,等.冷弯薄壁型钢组合楼盖和自攻螺钉连接的抗剪性能试验研究[J].土木工程学报,2018,51(10):27-36+67.[5]周丽红.高强冷弯薄壁型钢轴压短柱试验与理论研究[D].西安:长安大学,2007.[6]卜良桃,刘华刚.粘贴钢板加固型钢梁受弯试验研究[J].公路工程,2020,45(03):38-43.[7]谢阳,戴阳,王永泉.门式刚架钢结构厂房新型加固技术的应用[J].江苏建筑,2019,(04):57-60.[8]刘华刚.粘贴钢板加固型钢梁受弯二次受力试验研究[D].长沙:湖南大学,2019.[9] G B50018-2002,冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].[10] G B/T228.1-2010,金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法[S].E x p e r i m e n t a l S t u d y o nF o r c eP e r f o r m a n c e o fC o l d-f o r m e dT h i n-w a l l e dC-s h a p e dS t e e l C o m p o s i t eT r u s sB e a mL e i C h a o1,Z HA N GJ i a-q i1,H a n J i a n-q i a n g1,2,F uX i u-y a n1,T A N GJ i a n g-m i n g3(1.C o l l e g e o fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a nH e b e i063210,C h i n a;2.E a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o fH e b e i P r o v i n c e,T a n g s h a nH e b e i063210,C h i n a;3.H a n d a nC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g G r o u p C o.,L t d,H a n d a nH e b e i056001,C h i n a)K e y w o r d s:c o l d-f o r m e dt h i n-w a l l e ds t e e l;c o m p o s i t et r u s sb e a m;l o a dc a r r y i n g c a p a c i t y;e m b e l l i s h m e n t p l a t e;s e l f-t a p p i n g s c r e wA b s t r a c t:W i t h t h e c o n t i n u o u s p r o m o t i o no f g r e e nb u i l d i n g d e v e l o p m e n t i nC h i n a,l i g h t s t e e l s t r u c t u r e s a r e b e g i n n i n g t o s h o wt h e i r p r o m i n e n c e.A s a n e wt y p e o f b u i l d i n g m a t e r i a l,c o l d-f o r m e d t h i n-w a l l e d s t e e l s e c-t i o n s s t i l l h a v e a l a r g e s p a c e f o rd e v e l o p m e n t i n l i g h t s t e e l c o n s t r u c t i o n,s o t h ea n a l y s i so f t h e f o r c e p e r-f o r m a n c e o f c o l d-f o r m e d t h i n-w a l l e d s t e e l s e c t i o n s h a s a g r e a t e n g i n e e r i n g v a l u e.E x p e r i m e n t so n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y a n dd e f o r m a t i o no fC-s e c t i o n s t e e l j o i s t b e a m sw a s c a r r i e do u t,a n d t h e n a f i n i t e e l e m e n t m o d e l o fC-s e c t i o n s t e e l j o i s t b e a m s u s i n g AB A Q U Sw a s e s t a b l i s h e d,a n d t h e i n f l u e n c eo f f a c t o r s s u c ha s t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f t h e s p l i c e p l a t e a n d s e l f-t a p p i n g s c r e w s o n t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e j o i s t b e a m sw a sa n a l y z e d.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h ee x p o s e ds k e l e t o nb e a mi sd a m a g e db y t h e s h e a r o f t h e s e l f-t a p p i n g s c r e w sa n dt h e f i n a l l o a dc a r r y i n g c a p a c i t y d e p e n d so nt h es h e a r c a p a c i t y o f t h e s c r e w s.T h e r e i n f o r c e m e n t o f t h e s p l i c e p l a t e h a s a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n i m p r o v i n g t h e l o a d c a r r y i n g c a p a c i-t y o f t h eb e a m.。
冷弯薄壁C型钢梁柱节点试验研究提要：本试验对象为三个冷弯薄壁c型钢梁柱节点，同时采用有限元程序对该类节点的半刚性性能进行分析。
文中介绍了三个试件的试验、破坏形式、有限元分析结果，并阐述了各种因素对节点性能的影响。
关键词：，冷弯薄壁c型钢，梁柱节点，半刚性，有限元
1.引言
冷弯薄壁型c型钢梁柱连接处内力分布复杂、变形或转角易出现突变，其传力性能、稳定性、有效性等都将会影响整个结构的性能。
本文就是以该类梁柱构件的半刚性节点为研究对象，通过对三个不同构造形式的1:1足尺梁柱节点试件的试验，总结此种节点连接在低周循环荷载作用下的破坏机理及其影响因素。
2 试验装置及加载制度
试件的计算简图如图2.1，试验加载装置图详见图2.2，
表2.1 试件设计描述(单位:mm)
试件编号
试件描述 g－1 g－2 g－3
加劲肋(mm) －350×150×5.0 －350×150×5.0 ——
加劲件(mm) ————槽形件342×142×3.0
顶、底连接角钢热轧l75×6.0 热轧l75×6.0 冷弯l105×75×5.0
腹板连接角钢热轧l75×6.0 热轧l75×6.0 冷弯l75×
5.0
螺栓等级普通螺栓 8.8级普通螺栓
螺栓规格 m12 m12 m12
螺栓个数 25 25 39
3. 试件的破坏模式及规律
3.1试验中梁柱节点的破坏现象有以下两类：
1）节点转角过大破坏
试件g-1、g-2为此种破坏模式。
一般半刚性节点的极限转动能力以节点转角超过0.045rad为极限状态，本次试件g-1转角达到了0.0546rad，试件g-2转角达到了0.054rad。
从试验的现象来看，试件g-1、g-2连接还具有很大的转动能力。
但由于加载装置的限制，在转角达到上述值时就中止加载，认为节点破坏。
2）角钢出现裂纹并且裂纹相互贯通破坏
试件g-3为此种破坏模式。
在反复加载多次后，连接角钢在反复拉压作用下，节点的塑性发展很大，产生疲劳裂纹，再继续受拉时裂纹贯通而导致角钢破坏、承载力急剧下降，则节点连接也达到极限情况。
由于节点变形的主要是由角钢引起的，所以角钢的塑性变形性能的好坏直接影响节点的变形、延性和耗能性能。
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3.2试验中梁柱半刚性连接的一些规律:
从以上三个构件的破坏过程分析，体现了钢结构梁柱半刚性连接的一些规律，主要表现在以下几个方面：
1）梁柱半刚性节点的连接有较好的塑性变形能力，未发生过早
脆性破坏的现象。
与螺栓相接触的梁柱翼缘、角钢肢面表面、螺栓孔边缘的应力较大，有一定的起皱现象。
随着荷载的加大，角钢的两端逐渐脱离接触面，角钢产生较大的塑性变形。
2）螺栓等级对节点承载能力、延性有一定的影响，等级越高，承载能力越大、延性越低；等级越低，承载能力越小、延性越高；螺栓基本都出现滑移。
3）连接角钢对节点的影响很大，主要表现在：连接角钢（主要是上下连接的角钢）的刚度越大，则节点的整体刚度随之增大、承载能力越高、节点的变形就越小；连接角钢的刚度小，节点的整体刚度越小、节点变形就越大。
上下角钢的塑性变形能力越大，节点变形增加程度越大、节点的延性越好。
4）本次试验采用两种节点域加劲形式，即横向加劲肋加劲和槽形件加劲。
两种加劲形式各有其特点，横向加劲肋能减小节点域的剪切变形，较好地传递梁端集中力尤其是压力，有效改善柱在节点的刚度，减缓柱翼缘变形，有利于提高节点的承载能力和变形能力，还对梁的平面外稳定和柱翼缘的翘曲有贡献，但没有加强节点域柱腹板抗剪和柱翼缘的局部鼓曲；槽形件有助于节点域抗剪，等于加厚节点域柱腹板，还有助于柱翼缘的局部鼓曲，但对梁的平面外稳定和柱翼缘的翘起贡献很小。
4 有限元分析
4.1 角钢应力、应变分析
顶底角钢的有限元计算结果(见图4.1图4.2)和试验相对比有以
下结果：
1）有限元分析时各点应力发展快慢比较一致。
2）有限元分析时各点屈服前应力值吻合较好，但屈服后的应变值吻合较差，这是因为屈服后模型变形模量与试件的变形模量有差别。
3）试验及模型中均为底角钢最先达到屈服；而且模型中还可以看出时是底角钢靠近柱翼缘的肢背处最先进入塑性区，这与理论分析结果比较一致。
4）腹板角钢在节点的转动过程中屈服晚于顶底角钢，说明腹板角钢对抵抗节点转动的贡献小于顶底角钢。
靠近梁翼缘的应变比在中部的应变要大，表明腹板连接角钢在承受剪力的同时也参与了共同抗弯。
4.2 节点的位移和变形
模拟整个变形过程中，弹性阶段及过渡阶段的变形相对较小，主要位移由屈服区域的塑性变形引起，试件的刚体位移只占很少部分。
最大位移发生在梁的悬臂端；底角钢竖肢螺栓孔附近发生较大变形，底角钢最大的水平位移出现在肢背；腹板连接角钢与梁腹板及柱翼缘连接下部有较大位移；顶角钢水平肢与梁上翼缘连接处变形较大，与柱翼缘连接处变形不明显。
达极限荷载时，底角钢根部应变最大，发生较大转角，角钢未出现表面裂纹。
底角钢与柱连接的螺栓有一定变形。
此结果与真实试验现象相比较，变化趋势比较接近，证明位移
和变形变化结果是可信的。
4.3有限元分析得出的规律
双腹板、顶底角钢半刚性连接的顶底角钢、腹板角钢在单调荷载作用下的应力情况比较复杂，但其变化趋势还是有一定的规律性，即: 整个连接节点的转动以顶角钢水平肢根部为中心，底角钢与柱连接肢、顶角钢水平段和腹板角钢如同悬臂梁工作。
5 结论
带双腹板、顶底角钢的冷弯薄壁c型钢梁柱节点与一般的普钢节点有着不同的破坏特点及转动性能。
通过试验及ansys对节点进行有限元分析，观察各组件的应力、变形和破坏趋势，分析揭示了节点的受力特性，得到如下结论：
1）此种节点的几种失效模式为：(1)连接转角达到0.045rad；
(2)顶底角钢或腹板角钢产生明显的裂纹；(3)高强螺栓产生滑移、梁翼缘或腹板屈服。
2）影响节点的初始刚度和弯矩承载力的因素主要是顶底角钢的刚度和强度，腹板角钢和螺栓强度的贡献较小。
3）顶底角钢是连接最薄弱的部件，其塑性变形是引起梁柱相对转角的主要因素。
所以在设计时应注意角钢的刚度及螺栓的强度；在设计中宜严格控制梁的挠度指标，以抵消角钢连接节点的转动影响。
4）从本次试验可以看出，半刚性节点的刚度小、延性大；而试件中的梁、柱强度都比较充足，尤其是柱基本上没有破坏，显示出
整个构件的薄弱点在顶底角钢。
因此，利用半刚性连接来代替“强柱弱梁”设计是有可能的。
参考文献：
[1] w.f.chen, yoshiaki goto, j.y.richard liew, stability design of semi-rigid frames, john wiley & sons, inc. 1996.
[2] bryan,e.r. the design of bolted joints in cold-formed steel sections. thin-walled structures, 1993,16,pp239-262 .
[3]王军，新型冷弯薄壁型钢框架半刚性节点试验研究及有限元分析重庆大学学位论文 2005年11月
[4]李颗，带双腹板、顶底角钢连接的冷弯薄壁型钢梁柱节点试验研究重庆大学学位论文 2006年5月。
