翁 旭，余海波

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

近年來，我國(guó)興起了一種新型的建筑體系——冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系。這種結(jié)構(gòu)體系一般適用于3 層或3 層以下的獨(dú)立住宅。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的熱軋鋼材相比，冷彎薄壁型鋼具有強(qiáng)度高、安裝方便、自身凈質(zhì)重小、工廠化程度高以及適于機(jī)械化施工等優(yōu)點(diǎn)。因此，比傳統(tǒng)的熱軋鋼材更具有經(jīng)濟(jì)性。本文就是針對(duì)冷彎薄壁C 型鋼梁彎曲性能，進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方案

前期，計(jì)算（查表）截面各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)計(jì)出構(gòu)件的形狀尺寸，選用截面C100 mm× 48 mm×15 mm×2.0 mm。其設(shè)計(jì)的構(gòu)件如圖1 所示。

圖1 構(gòu)件截面圖形

構(gòu)件的加載情況如圖2 所示。

圖2 非純彎試驗(yàn)

本次試驗(yàn)共采用兩種構(gòu)件形式：截面相同，但長(zhǎng)度不同，一個(gè)1 600 mm，一個(gè)是1 000 mm。

試驗(yàn)加載原則：

（1）為了研究冷彎薄壁C 型梁的工作性能，主要測(cè)定其強(qiáng)度，及各荷載的撓度情況，另外還要測(cè)量控制區(qū)段的應(yīng)變大小和變化，找出剛度隨外荷載變化的規(guī)律。

（2）加載制度。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為10%～20%的標(biāo)準(zhǔn)荷載，在臨近破壞荷載時(shí)，取5 %的標(biāo)準(zhǔn)荷載。在每級(jí)荷載下停留5 min，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。把確定好的加載制度換算成傳感器所應(yīng)顯示的應(yīng)變。第一級(jí)荷載應(yīng)計(jì)入構(gòu)件的自重。

本試驗(yàn)利用工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。百分表測(cè)讀跨中位置處的變形（第一級(jí)0.5 kN）

（3）測(cè)點(diǎn)布置。在跨中截面處布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出圖4 的撓度- 荷載關(guān)系曲線。

圖4 撓度- 荷載關(guān)系曲線

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于試驗(yàn)構(gòu)件來說，本次試驗(yàn)是非純彎試驗(yàn)，除了在荷載作用點(diǎn)附近的畸變屈曲之外，翼緣也發(fā)生了局部屈曲，冷彎薄壁C 型鋼卷邊對(duì)翼緣起到支撐作用，試件的變形基本對(duì)稱。1 000 mm 長(zhǎng)的試件比1 600 mm 的試件，承載力要大，變形要小。

2 有限元模擬（ANSYS）性能研究

為了準(zhǔn)確研究冷彎型鋼的力學(xué)性能，以及各種界面的型鋼對(duì)其力學(xué)性能的影響，筆者主要針對(duì)目前國(guó)內(nèi)使用最廣泛的C 型鋼，通過有限元的分析方法，使用軟件ANSYS10.0 中的SHELL181 單元，對(duì)試驗(yàn)的構(gòu)件進(jìn)行模擬分析。

2.1 模型說明

取長(zhǎng)度為1.6 m 的梁，截面考慮C 型鋼，每個(gè)截面分別考慮3 種規(guī)格。為了保證截面的單位用鋼量相等，在選取截面的時(shí)候，3 種截面選擇詳圖的截面面積。同時(shí)，每種截面的型鋼選取3 種同截面積、不同高寬比的規(guī)格，用于研究同種截面型鋼的力學(xué)性能差異。具體型號(hào)見表1。

表1 鋼材具體型號(hào)表（單位：mm）

2.2 邊界條件

施加如圖5 所示邊界條件：在梁的上表面中部找出均勻分布的12個(gè)節(jié)點(diǎn)，在其上跨中加載，在該荷載作用下，梁進(jìn)入塑性變形階段；左右兩端約束x、y、z 這3個(gè)方向的平動(dòng)自由度。

圖5 施加邊界條件圖

2.3 模擬結(jié)果分析

利用有限元程序ANSYS10.0 考慮幾何非線性和材料非線性，并且考慮試件的初始幾何缺陷，利用弧長(zhǎng)法對(duì)所有試驗(yàn)進(jìn)行了荷載—位移全過程模擬。

有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，前期兩者吻合很好，但由于試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)結(jié)果梁沒有達(dá)到破壞（主要原因是加載裝置最大能加到7 kN，實(shí)驗(yàn)室的百分表最大量程是30 mm，打算在后期要重新做下試驗(yàn)，改進(jìn)加載方法）。而有限元的模擬圖像如圖6。

圖6 有限元模擬圖像

3 本次項(xiàng)目試驗(yàn)存在的問題

本項(xiàng)目在試驗(yàn)工程中存在以下問題：

（1）由于實(shí)驗(yàn)室沒有針對(duì)鋼梁受彎試驗(yàn)用的反力架，這次試驗(yàn)采用工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的2 臺(tái)壓力試驗(yàn)機(jī)，作為鋼梁的鉸結(jié)點(diǎn)，反力架裝置可能和實(shí)際的有出入。

（2）加載時(shí)用的是壓力試驗(yàn)機(jī)，但試驗(yàn)機(jī)的最大加載值，遠(yuǎn)小于模擬的值。

（3）本試驗(yàn)應(yīng)該設(shè)計(jì)些不同截面尺寸的構(gòu)件，由于試驗(yàn)條件的限制，只能選取截面相同，而長(zhǎng)度不同的構(gòu)件做對(duì)比分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)冷彎薄壁C 型鋼梁的彎曲性能進(jìn)行試驗(yàn)、理論和有限元模擬分析研究，從而發(fā)現(xiàn)，冷彎薄壁C 型鋼梁具有良好的力學(xué)性能，樂觀的估計(jì)，冷彎薄壁C 型鋼將形成一個(gè)很大的產(chǎn)業(yè)。將在以后的建筑業(yè)中發(fā)揮巨大的作用，使得我國(guó)的建筑業(yè)可以更上一個(gè)臺(tái)階，讓我國(guó)的鋼鐵行業(yè)也可以領(lǐng)先于世界。在理論研究、軟件開發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)等方面都有廣闊的前景。

[1]張中權(quán).冷彎薄壁型鋼軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，1991,（2）：72-79.

[2]何?？担?鳳,等.冷彎型鋼在房屋建筑中的應(yīng)用與發(fā)展[J].焊管，2002,25（5)：8-11.

[3]姜復(fù)生，袁曉光.我國(guó)冷彎型鋼生產(chǎn)的特點(diǎn)及發(fā)展[J].鋼鐵，2000,35（9）：73-77.