帶槽口缺陷的圓鋼管短柱軸壓性能試驗

顧宏偉， 陳 譽

(福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108)

0 引言

圓盤鋸切割圓鋼管是一種比較普遍的切割工藝， 不同的切割工藝會產(chǎn)生不同的缺陷. 由于鋸片偏擺、 機器反復振動、 墊板損耗、 行程受限鋸多刀和圓鋼管切割滑動等因素影響， 使用圓盤鋸切割的圓鋼管會帶有多種缺陷， 其中槽口缺陷最為典型. 在實際工程中， 圓鋼管常常由于鋼管切割缺陷的問題而被直接更換， 導致經(jīng)濟成本增加； 由于圓鋼管切割缺陷的問題而進行二次切割及拋光， 致使時間成本增加. 因此， 對帶有切割缺陷的圓鋼管短柱進行力學性能研究， 從而探索鋼管切割缺陷的容許值具有重要工程意義.

目前， 國內(nèi)外學者對帶有初始缺陷的鋼管提出了不少探傷方法， 進行系列探傷研究[1-3]. 有關焊管的規(guī)范[4-6]也與時俱進， 但仍然無法完全避免鋼管缺陷. 為此， 學者們在初始缺陷對鋼管性能影響方面展開大量科學試驗， 取得了一些研究成果. 韓少華等[7]發(fā)現(xiàn)寬厚比以及初始缺陷裂縫長度對不銹鋼方鋼管短柱承載力影響較大， 對其延性和剛度下降速率基本無影響. 溫曉飛等[8]通過試驗研究了幾何缺陷對雙向偏壓作用下矩形鋼管混凝土柱受力性能影響. 王志濱等[9-11]研究了不同用途下缺陷對鋼管混凝土構件的影響. 呂利芹等[12]以人工槽口模擬鋼管的初始缺陷， 得出橫向缺陷對試件受彎承載力的削減大于縱向缺陷的結(jié)論. 郭展等[13]對帶初始缺陷的拉擠型GFRP管軸壓性能展開了試驗研究. 王小平等[14-15]運用有限元軟件并參考規(guī)范[16-17]， 確定了中厚壁冷彎方鋼管軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)的初步確定方法. 陳宏遠等[18]分析了受初始幾何缺陷影響的管線鋼管在內(nèi)壓作用下的非線性屈曲. 于雪松[19]探討了不同GFRP管壁厚度、 不同混凝土強度等級、 不同鋼筋配置、 不同纖維纏繞角度、 不同開孔位置和不同開孔尺寸對集合缺陷柱力學性能影響. Liu等[20]通過對六角組合柱的研究， 發(fā)現(xiàn)軸壓荷載作用下， 水平切口的柱會切口封閉而屈曲， 垂直切口的柱會向外彎曲而屈曲. Chang等[21]和Ding等[22]討論了帶切口缺陷的CFT試件軸壓荷載下的荷載-位移響應、 柱強度和約束效應， 并對切口長度、 切口方向、 混凝土強度和配筋率等進行了參數(shù)研究.

目前國內(nèi)外學者對初始缺陷的研究多局限于構件質(zhì)量不均勻、 殘余應力以及初始幾何缺陷等， 而帶有切割缺陷的圓鋼管短柱軸壓力學性能的研究并未見到報道. 本研究通過對帶槽口缺陷的圓鋼管短柱進行軸壓性能試驗， 分析槽口缺陷高度、 單雙端缺陷以及壁厚對圓鋼管短柱的破壞模式和極限承載力的影響.

1 試驗設計

1.1 試件設計

本次試驗將6根直徑為168 mm， 長度為6 000 mm， 壁厚為2.5 mm的Q235圓鋼管和6根直徑為168 mm， 長度為6 000 mm， 壁厚為4.0 mm的Q235圓鋼管使用圓盤鋸切割， 可得到72根直徑為168 mm， 長度為420 mm， 壁厚為2.5 mm的圓鋼管和72根直徑為168 mm， 長度為420 mm， 壁厚為4.0 mm的圓鋼管. 從2×72根圓鋼管中篩選出帶槽口缺陷的鋼管， 使用游標卡尺對圓鋼管端部槽口缺陷高度進行精準測量. 根據(jù)測量數(shù)據(jù)的大小進行排序并標號， 試件長度為L/mm， 直徑為d/mm， 壁厚為t/mm， 圓鋼管短柱兩端分別為A和B， 槽口高度為la/mm， 則另一端槽口高度為lb/mm. 槽口缺陷高度la小于1.5 mm時， 槽口缺陷幾乎與斷面平齊， 且游標卡尺測量不便， 讀數(shù)趨于0， 故忽略不計. 試件編號t2.5-la1.94-lb0代表： 長度為420 mm， 直徑168 mm， 壁厚2.5 mm， 一端槽口缺陷高度1.94 mm， 一端平整的圓鋼管， 即單端缺陷圓鋼管短柱. 試件的幾何參數(shù)見表1.

表1 試驗數(shù)據(jù)一覽表

續(xù)表1

1.2 試驗加載設計

試驗加載在福州大學土木工程學院一號實驗館進行， 加載、 荷載收集與記錄采用5 000 kN壓力試驗機和2 000 kN萬能試驗機， 應變收集與記錄采用DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng). 在加載前， 對中圓鋼管短柱， 并在圓鋼管短柱的兩端分別完全覆蓋厚鋼端板， 即厚鋼端板邊緣與圓鋼管短柱邊緣最小距離保持在2.5 cm以上， 確保荷載通過厚鋼端板均勻布置在圓鋼管短柱端部. 在正式加載初期， 采用荷載控制模式對彈性階段進行加載. 隨著荷載不斷增加， 荷載-位移曲線呈線性上升， 當荷載-位移曲線出現(xiàn)略微彎曲或荷載達到60%無缺陷圓鋼管短柱的極限承載力， 即刻調(diào)換至位移控制模式進行加載， 采集更多數(shù)據(jù)點的同時， 可以更好地穩(wěn)定試驗構件屈服后塑性階段的卸載， 使得鋼管在屈曲后有更明顯的破壞現(xiàn)象. 在進行應變測試時， 加載初期采用單調(diào)分級靜力加載， 每級加載停留1 min， 使用DH3816采集應變. 停機準則為： 在位移控制模式下， 隨著試件位移的持續(xù)增加， 其荷載不斷下降， 直至達到70%的極限荷載或壓力試驗機自動卸載， 即停止試驗， 認為單個構件的試驗結(jié)束.

1.3 試驗測試方案

選取典型的4個試件進行應變測試， 應變布置如圖1所示： 槽口缺陷處布置兩個測點， 均貼三向應變片； 圓鋼管短柱中部同一水平位置布置兩個測點， 且兩個測點與圓心的連線夾角為90°， 均貼雙向應變片； 無槽口缺陷的端部布置一個測點并貼三向應變片. 編號t2.5-la0-lb0為無槽口缺陷圓鋼管短柱， 編號t2.5-la6.76-lb0為一端兩槽口(槽口H1和槽口H2)圓鋼管短柱， 編號t2.5-la5.38-lb0、t2.5-la2.40-lb0均為一端槽口缺陷的鋼管.

圖1 應變片布置圖Fig.1 Arrangement of strain gauges

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞模式

2.5 mm壁厚的試件呈現(xiàn)兩種破壞模式： 端部槽口缺陷處的凹陷屈曲(見圖2(a))和端部槽口缺陷處的凸起屈曲(見圖2(b)). 4.0 mm壁厚的試件全部產(chǎn)生端部槽口缺陷處的凸起屈曲的破壞現(xiàn)象， 并未發(fā)現(xiàn)有槽口缺陷處的凹陷屈曲的情況.

經(jīng)過分析可知： 由于槽口缺陷的存在， 荷載最先作用在槽口缺陷處. 隨著荷載的增加， 槽口缺陷處先發(fā)生局部屈曲(見圖2(c))， 這種槽口缺陷的局部屈曲分為兩種： 凹陷屈曲和凸起屈曲. 當局部屈曲變形達到一定程度， 即槽口缺陷高度降低為零， 圓鋼管短柱全截面受壓. 一部分發(fā)生凹陷屈曲的圓鋼管短柱繼續(xù)加載， 端部同一截面上的非槽口缺陷區(qū)域產(chǎn)生凸起屈曲， 同時鋼管逐漸喪失最大承載能力， 直至全截面屈曲. 另一部分發(fā)生凸起屈曲的圓鋼管短柱繼續(xù)加載， 其凸起屈曲向同一截面上的非槽口缺陷區(qū)域延伸， 直至整個端部凸起屈曲， 鋼管喪失最大承載能力， 即全截面屈曲.

(a) 凹陷屈曲

(b) 凸起屈曲

(c) 槽口缺陷處局部屈曲

2.2 荷載-位移曲線

由荷載-位移曲線(圖3(a))可知：t4.0-la1.68-lb0、t4.0-la1.98-lb0的初始剛度與t4.0-la0-lb0無損試件的初始剛度近似相等， 可見在槽口缺陷高度小于0.5t時， 圓鋼管短柱的初始剛度幾乎無變化并且極限承載力近似相等. 當槽口缺陷高度大于0.5t時， 圓鋼管短柱的初始剛度大幅減小， 且極限承載力降低. 槽口缺陷高度大于0.5t的圓鋼管短柱初始剛度(見圖3(b))僅僅是編號t4.0-la0-lb0無損試件初始剛度的4/10. 帶槽口缺陷的圓鋼管短柱荷載-位移曲線與無損試件荷載-位移曲線的形勢保持一致， 且壁厚為4.0 mm的試件都呈現(xiàn)出凸起屈曲的破壞模式.

壁厚為2.5 mm的試件， 無論單端槽口缺陷(見圖3(c)～(f))還是兩端槽口缺陷(見圖3(g)～(i))， 其初始剛度都大大減小， 帶槽口缺陷的圓鋼管短柱的初始剛度僅僅是編號t2.5-la0-lb0無損試件初始剛度的1/10. 其極限承載力大幅降低， 并且當槽口缺陷高度大于2t時(見圖3(f))出現(xiàn)雙峰曲線. 雙峰曲線的出現(xiàn)， 恰好佐證了槽口缺陷對圓鋼管短柱的影響： 當槽口缺陷高度la較小時， 不斷加載的過程中， 槽口缺陷處先出現(xiàn)變形， 但不至于屈服. 當槽口缺陷高度變形至la=0， 此時全截面受壓， 直至圓鋼管短柱全截面屈服， 如圖3(c)～(e)所示.

(a) t4.0-la1.68～2.20單端缺陷

(b) t4.0-la2.58～4.82單端缺陷

(c) t2.5-la1.94～2.88單端缺陷

(d) t2.5-la3.00～4.20單端缺陷

(e) t2.5-la4.30～4.96單端缺陷

(g) t2.5-la+b3.88～6.00兩端缺陷

(h) t2.5-la+b6.02～6.50兩端缺陷

(i) t2.5-la+b7.34～9.08兩端缺陷

當槽口缺陷高度la>2t時， 不斷加載的過程中， 槽口缺陷處未達到la=0就已經(jīng)局部屈服， 出現(xiàn)第一個波峰. 試驗壓力機逐漸卸載， 隨著位移的增加，la減小至0， 圓鋼管短柱全截面受壓， 從而試驗壓力機由卸載轉(zhuǎn)為加載， 直至全截面屈服， 出現(xiàn)第二個波峰， 如圖3(f)所示. 雙峰曲線多存在于凹陷屈曲的破壞模式中， 試驗過程中也存在槽口缺陷處發(fā)生凹陷屈曲的局部屈曲導致的試件喪失整體承載能力的情況， 即荷載加至第一個波峰后卸載時試驗壓力機自動卸載， 如t2.5-la3.00-lb0.

綜上所述， 荷載-位移曲線分為兩類： ① 與無損試件曲線形式大致相似的單峰曲線， 記為N； ② 由上升轉(zhuǎn)為下降， 下降一定程度后再次上升， 直至最終下降的雙峰曲線， 記為M. 曲線歸納具體見表1.

2.3 初始剛度-槽口缺陷高度曲線

通過對荷載-位移曲線彈性階段的分析與計算， 得到試件彈性階段的曲線斜率， 記為初始剛度K/kN·mm-1， 具體計算結(jié)果見表1.

初始剛度-槽口缺陷高度曲線如圖4所示. 由圖4(a)可知， 單端槽口缺陷的圓鋼管短柱初始剛度相比無損試件的初始剛度有明顯下降， 且在40～80 kN·mm-1之間波動. 由圖4(b)可知， 雙端槽口缺陷的圓鋼管短柱初始剛度隨著槽口缺陷高度的增加而減小， 曲線雖有波動， 但波幅比單端槽口缺陷的情況小很多; 此外波幅逐漸減小， 由20～50 kN·mm-1向35 kN·mm-1收斂. 由圖4(c)可知， 槽口缺陷高度小于0.5t時， 試件初始剛度略有下降； 槽口缺陷高度達到0.5t～0.8t時， 試件初始剛度大幅下降； 在槽口缺陷大于0.8t時， 試件初始剛度趨于穩(wěn)定.

綜上所述， 槽口缺陷的存在會減小圓鋼管短柱的初始剛度. 單端槽口缺陷的圓鋼管短柱，t=2.5 mm試件初始剛度平均減小了67.28%，t=4.0 mm試件初始剛度平均減小了41.11%， 鋼管短柱壁厚越大， 試件初始剛度減小的幅度越小. 兩端槽口缺陷的圓鋼管短柱， 隨著槽口缺陷高度的增加初始剛度越小， 減小幅度逐漸收斂于35 kN·mm-1.

(a) t2.5單端缺陷

(b) t2.5兩端缺陷

(c) t4.0單端缺陷

2.4 延性系數(shù)-槽口缺陷高度曲線

研究采用試件的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值作為延性系數(shù)μ， 以探討延性系數(shù)與槽口缺陷高度之間的關系.Δu取極限承載力對應的位移，Δy利用“割線剛度法”確定， 具體計算結(jié)果見表2.

延性系數(shù)-槽口缺陷高度曲線如圖5所示. 由圖5可知， 槽口缺陷的存在普遍減小了試件的延性系數(shù).t=2.5 mm的圓鋼管短柱延性系數(shù)下降率大約為30%(見圖5(a)、 (b))，t=4.0 mm的圓鋼管短柱延性系數(shù)隨著槽口缺陷高度的增加而減小(見圖5(c)). 試驗過程中也存在延性系數(shù)提高的情況， 此現(xiàn)象多存在于雙峰曲線中或偶有明顯屈服平臺的圓鋼管短柱. 可見， 槽口缺陷的存在會小概率使圓鋼管短柱軸壓出現(xiàn)更為明顯的屈服平臺， 或形成雙峰曲線， 導致延性系數(shù)提高.

由延性系數(shù)下降率可知， 槽口缺陷對圓鋼管短柱延性的削弱作用在壁厚較大的試件中更為顯著.

(a) t2.5單端缺陷

(b) t2.5兩端缺陷

(c) t4.0單端缺陷

2.5 荷載-應變強度曲線

以編號t2.5-la0-lb0、t2.5-la6.76-lb0、t2.5-la5.38-lb0和t2.5-la2.40-lb0等4個典型的試件為例， 分析槽口缺陷區(qū)域應變強度的變化與規(guī)律， 探討單端多槽口缺陷情況下取槽口缺陷高度最大值的合理性.

通過典型的4根圓鋼管短柱在測點C1、C2處的荷載-應變強度曲線(見圖6(a)、 (b))可知： 試件處于彈性階段時， 應變強度隨著槽口缺陷高度的增加而增加， 且t2.5-la0-lb0無損試件的曲線為凸曲線，t2.5-la6.76-lb0、t2.5-la5.38-lb0和t2.5-la2.40-lb0三根曲線均為凹曲線. 由此可知， 彈性階段時， 應力主要集中在槽口缺陷處. 測點C4處的荷載-應變強度曲線均為凹曲線， 如圖6(c)所示. 可見A端的槽口缺陷對圓鋼管短柱B端的應變強度并無影響.

通過t2.5-la6.76-lb0試件(見圖6(d))可知： 測點C1處的應變強度高于測點C6處的應變強度， 測點C5處的應變強度高度測點C7處的應變強度； 測點C1和C5的荷載-應變強度曲線在100 kN處發(fā)生突變， 測點C6和C7的曲線在120 kN處發(fā)生突變. 由此可知， 單端多槽口的情況下， 槽口缺陷高度最大值起著決定性作用， 其應變強度最大， 首先發(fā)生局部屈曲， 并向其他槽口缺陷處擴散至屈曲， 繼而延伸至整個截面屈服.

通過t2.5-la5.38-lb0和t2.5-l02.40-lb0試件(見圖6(e)、 (f))可知： 槽口缺陷上端應變強度比下端應變強度大. 可見， 槽口缺陷處的屈曲是由槽口缺陷上端向槽口缺陷下端發(fā)展.

(a) C1測點

(b) C2測點

(d) t2.5-la6.76-lb0試件

(e) t2.5-la5.38-lb0試件

(f) t2.5-la2.40-lb0試件

由圖7荷載-應變曲線可知， 圓鋼管短柱測點C2y的應變大于C2x，C3y的應變大于C3x. 故帶槽口缺陷的圓鋼管短柱腹中軸向應變大于環(huán)向應變， 在應變強度分布圖中取測點C2y和C3y， 如圖8所示. 由圖8可知， 槽口缺陷上端應變強度最大， 槽口缺陷下端應變強度居第二， 帶槽口缺陷的圓鋼管短柱由槽口缺陷上端屈曲向下端屈曲發(fā)展.

綜上所述， 應力集中在槽口缺陷高度最大值處， 使得槽口缺陷上端屈曲并向槽口缺陷下端發(fā)展. 與此同時， 槽口缺陷高度最大值處的局部屈曲向其他槽口缺陷處擴散. 所有槽口缺陷高度降低為零， 屈曲延伸至整個截面屈服.

圖7 t2.5-la5.38-lb0荷載-應變曲線Fig.7 Curves of load versus strain

圖8 t2.5-la5.38-lb0應變強度分布曲線Fig.8 Distribution of strain intensity curves

3 軸壓承載力分析

對于壁厚t為4.0 mm的單端槽口缺陷圓鋼管短柱(見圖9(a))， 在槽口缺陷高度未達到0.5t時， 其極限承載力略有波動， 考慮到圓鋼管短柱其他初始缺陷、 殘余應力等因素的影響， 認為極限承載力無變化. 實際觀測時， 當槽口缺陷高度未達到0.5t時， 圓鋼管短柱并不會出現(xiàn)明顯的局部屈服現(xiàn)象， 而是槽口缺陷被壓平， 使得全截面軸心受壓(偶有微微鼓曲， 但并未屈服). 當槽口缺陷高度達到0.5t～0.8t時， 圓鋼管短柱極限承載力降低5%～10%. 當槽口缺陷高度達到0.8t及其以上時， 極限承載力降低10%～20%.

對于壁厚t為2.5 mm的單端槽口缺陷圓鋼管短柱(見圖9(b))， 并未發(fā)現(xiàn)明顯的極限承載力與槽口高度之間的相關性， 可認為極限承載力降低20%～40%. 對比壁厚t為4.0 mm的圓鋼管短柱發(fā)現(xiàn)， 圓鋼管短柱的壁厚t較大時， 槽口缺陷高度的增加對極限承載力的影響較小， 而鋼管壁厚t較小時， 槽口缺陷高度的增加對極限承載力的影響較大. 經(jīng)過分析可知，t=4.0 mm時， 圓鋼管短柱只有凸起屈服一種破壞模式， 而t=2.5 mm時， 圓鋼管短柱會出現(xiàn)凹陷屈服和凸起屈服兩種破壞模式. 但不論t為多少， 當槽口缺陷高度大于等于0.8t時， 圓鋼管短柱的極限承載力至少下降20%. 并且受壁厚的影響， 壁厚t越小極限承載力的下降幅值越大， 下降程度達到但不限于20%，t=2.5 mm時， 下降幅值最大可達到40%.

對于壁厚t為2.5 mm的兩端槽口缺陷圓鋼管短柱(見圖9(c))， 當槽口缺陷高度的平均值小于0.8t時， 極限承載力下降10%～20%. 當槽口缺陷高度的平均值達到0.8t及其以上， 極限承載力降低20%～40%.

由此可知

(1)

(a) t4.0 mm單端槽口缺陷

(b) t2.5 mm單端槽口缺陷

(c) t2.5 mm兩端槽口缺陷

4 結(jié)論

通過對144根圓鋼管短柱的篩選， 挑選出51根帶槽口缺陷的圓鋼管短柱， 對其進行靜力承載性能測試. 試驗結(jié)果及承載力分析可得如下5點結(jié)論.

1) 壁厚較大的帶槽口缺陷的圓鋼管短柱只有一種破壞形態(tài), 即起屈曲， 荷載-位移曲線也只有單峰一種形式； 壁厚較小的帶槽口缺陷的圓鋼管短柱具有兩種破壞形態(tài)， 即凸起屈曲和凹陷屈曲， 荷載-位移曲線也出現(xiàn)單峰曲線和雙峰曲線兩種形式.

2) 槽口缺陷的存在會減小圓鋼管短柱的初始剛度， 且壁厚較小的圓鋼管短柱初始剛度減小幅度大于壁厚較大的圓鋼管短柱.

3) 槽口缺陷的存在普遍會減小圓鋼管短柱的延性系數(shù)， 且壁厚較大的圓鋼管短柱延性系數(shù)減小幅度大于壁厚較小的圓鋼管短柱； 槽口缺陷的存在會小概率使得圓鋼管短柱有更明顯的屈服平臺或直接形成雙峰曲線， 從而使得試件的延性系數(shù)增大.

4) 帶槽口缺陷的圓鋼管短柱壁厚越小， 其極限承載力的下降幅值越大， 但極限承載力的下降峰值與壁厚無關.

5) 槽口缺陷高度小于0.5倍壁厚的試件， 其初始剛度、 延性系數(shù)和極限承載力在誤差的允許范圍內(nèi)僅僅略有波動， 推薦可以繼續(xù)使用. 槽口缺陷高度大于0.5倍壁厚且小于0.8倍壁厚的試件， 其初始剛度和延性系數(shù)有所減小， 極限承載力減小10%～20%； 槽口缺陷高度大于0.8倍壁厚的試件， 其初始剛度和延性系數(shù)大幅減小， 極限承載力減小20%～40%， 不推薦繼續(xù)使用.