冷彎薄壁C型鋼組合桁架梁受力性能試驗(yàn)研究

雷超,張佳琪,韓建強(qiáng),2,付秀艷,唐江明

(1. 華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)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(tuán)有限公司,河北 邯鄲 056001)

引言

隨著我國(guó)綠色建筑發(fā)展的不斷推進(jìn),輕鋼結(jié)構(gòu)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(fā)展空間,因此對(duì)冷彎薄壁型鋼的受力性能進(jìn)行分析具有一定程度的工程價(jià)值[1]。目前,國(guó)內(nèi)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(gè)具有20個(gè)自由度的四節(jié)點(diǎn)扁殼單元。周旭紅[3]的近期研究工作表明冷成型承壓構(gòu)件、端部斜桿、垂直斜桿的有效長(zhǎng)度均為1.0 L,其他構(gòu)建等效長(zhǎng)度為0.9 L,其中L為構(gòu)件幾何長(zhǎng)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(duì)象進(jìn)行了相關(guān)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(rèn)為在高 b/t的情況下,高強(qiáng)鋼的部分鎖止有效截面對(duì)構(gòu)件的承載力起著重要作用。卜良濤[6]采用板件粘貼法對(duì)板件進(jìn)行加固,有效避開了傳統(tǒng)焊法中的明火,提高了焊法的安全性和舒適性。結(jié)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(yáng)[7]針對(duì)結(jié)構(gòu)件老化存在設(shè)計(jì)隱患的問題采用加強(qiáng)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(duì)二次荷載鋼梁及其連接板的彎曲試驗(yàn),認(rèn)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(nèi),梁的承載能力并沒有得到明顯的改善。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件設(shè)計(jì)

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

根據(jù)規(guī)范[9]和工程實(shí)際具體情況,選用S550-AZ150型號(hào)的冷彎薄壁C型鋼,該型號(hào)鋼材表面采用鍍鋅處理從而達(dá)到抗腐蝕的效果,其屈服強(qiáng)度為550 MPa。試驗(yàn)梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1,其幾何參數(shù)分別為長(zhǎng)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(shè)計(jì)為316 mm,斜腹桿尺寸設(shè)計(jì)為433 mm,桁架梁具體參數(shù)見表1.

表1 桁架梁部件尺寸

圖1 桁架梁設(shè)計(jì)示意圖(單位:mm)

1.2 加載方案

為了保證試驗(yàn)的正常開展在正式實(shí)驗(yàn)之前采用預(yù)加載來測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否正常運(yùn)行。每次預(yù)加載最大載荷小于最大承載力的30%,并分三級(jí)進(jìn)行加載。在正式實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)試驗(yàn)力以1 kN為梯度逐漸遞增,每次加載保持120 s以獲得穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果。

1.3 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

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

為減小實(shí)驗(yàn)誤差,按照國(guó)標(biāo)制備3組樣件,分別標(biāo)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(yàn)按照上述參數(shù)開展拉伸試驗(yàn)。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(jīng)試驗(yàn)測(cè)得3組樣件極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彈性模量如表2所示,自攻螺釘抗剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 材料的強(qiáng)度和彈性模量

表3 螺釘?shù)氖芰π阅?/p>

2 組合桁架梁受力性能試驗(yàn)

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(duì)桁架梁進(jìn)行外力加載,分配梁下部焊接兩個(gè)半環(huán)形凹槽,間距0.8 m,凹槽下各放置一個(gè)柱形滾軸,壓在梁加載點(diǎn)位置的墊片上。力傳感器連接數(shù)據(jù)采集器,加載速率和荷載大小由讀數(shù)控制。桁架梁撓度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由LVDT位移傳感器和strain book 系統(tǒng)構(gòu)成,外力加載點(diǎn)和撓度測(cè)量點(diǎn)如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)加載裝置

圖5 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形式

3個(gè)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(cè)附加綴板,L3為雙側(cè)都附加綴板的桁架梁。

組合桁架梁L1加載至5.94 kN時(shí),斜拔的螺釘被剪斷,停止加載,圖6為L(zhǎng)1的破壞特征圖;單側(cè)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(fā)生彎折,承載力下降,構(gòu)件破壞,圖7為L(zhǎng)2破壞時(shí)的局部特征;雙側(cè)附加綴板的組合桁架梁L3加載至22.8 kN時(shí),附加綴板發(fā)生局部屈曲,圖8為L(zhǎng)3破壞時(shí)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(yàn)所得各試件極限承載力如表4所示。試驗(yàn)表明,試驗(yàn)梁L3加固效果更好。同樣情況下,單側(cè)綴板的梁比無綴板的梁的承載力提高78.45%左右,雙側(cè)綴板的加固相比于單側(cè)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(shù)值分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,使用SAP2000軟件建立組合桁架梁L1、L2和L3模型并導(dǎo)入ABAQUS進(jìn)行有限元仿真分析。在建模中由于無法真正模擬實(shí)際試驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)材料參數(shù)參考S550冷彎薄壁型鋼,彈性模量設(shè)置為E=189.5×103MPa,泊松比μ取0.3屈服應(yīng)力σ=569.5 MPa,密度為7 850 kg/m3,并且設(shè)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(shù)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(shù)值分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)單側(cè)綴板比裸骨架梁的極限承載力提高60.8%,雙側(cè)綴板加固比單側(cè)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(jù)實(shí)際受力特征,采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施;

(2)組合桁架梁的受力變形過程分為3個(gè)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(shì)。無附加綴板的冷彎薄壁C型鋼組合梁一般發(fā)生自攻螺釘?shù)募魯嗥茐?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(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞;

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