熱軋H 型鋼柱側(cè)向沖擊試驗(yàn)研究

崔娟玲，郭昭勝，王 蕊，裴 暢

（1．太原理工大學(xué)，太原 030024；2．山西省電力勘察設(shè)計(jì)院，太原 030001）

H型鋼柱被廣泛地應(yīng)用于多、高層建筑、工業(yè)建筑、設(shè)備管道支架及各類構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)中，尤以框排架結(jié)構(gòu)和門式剛架結(jié)構(gòu)形式最為常見。然而由于荷載的復(fù)雜性和隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用過程中可能遭受到各種非正常設(shè)計(jì)荷載，如各類交通運(yùn)輸工具對(duì)結(jié)構(gòu)的意外碰撞、起重機(jī)作業(yè)時(shí)起吊重物的偶然撞擊、恐怖襲擊中的爆炸沖擊等。由于H型鋼柱截面開展，剛度小，自重輕，一旦遭遇撞擊，其損傷和破壞程度將比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混組合結(jié)構(gòu)更為嚴(yán)重，極有可能造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，隨著熱軋H型鋼柱在工程建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)其受到側(cè)向沖擊荷載作用時(shí)的性能研究顯得十分重要，進(jìn)而對(duì)沖擊受損的熱軋H型鋼柱的殘余承載性能的研究也必將成為熱點(diǎn)。

目前，側(cè)向沖擊荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能研究大多集中在鋼筋混凝土梁柱、鋼管混凝土梁柱、鋼－混凝土組合梁及鋼管節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域［1－4］，而關(guān)于熱軋H型鋼構(gòu)件在沖擊荷載作用下的動(dòng)力性能研究的報(bào)道還不多見?；綮o思等［5］對(duì)4根熱軋H型鋼梁進(jìn)行了落錘撞擊試驗(yàn)，通過記錄沖擊力時(shí)程曲線和跨中變形，得出試件的撓曲變形為正弦半波曲線，研究表明：沖擊能量不同時(shí)，沖擊力峰值和沖擊力時(shí)程曲線變化趨勢(shì)基本相同；沖擊能量相同時(shí)，落錘質(zhì)量越大跨中變形發(fā)展越大。魏薇等［6］對(duì)H型鋼在低溫下的沖擊韌性進(jìn)行了研究，主要從鋼材的生產(chǎn)工藝上分析加入某些元素對(duì)H型鋼沖擊韌性的影響。PEI等［7］等運(yùn)用Abaqus有限元軟件對(duì)熱軋HW100×100×6×8型鋼在側(cè)向沖擊荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了參數(shù)分析，研究了沖擊能、沖擊物質(zhì)量、沖擊速度等參數(shù)對(duì)H型鋼構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)的影響。其分析表明：沖擊能越大，沖擊力時(shí)間延長(zhǎng)，沖擊力峰值增大，而平臺(tái)值基本不變；試件側(cè)向殘余變形量與沖擊能量呈線性關(guān)系，當(dāng)沖擊能相同時(shí)，沖擊物質(zhì)量的大小對(duì)試件側(cè)向殘余變形量的影響不大，但沖擊力峰值將增加。

本文采用太原理工大學(xué)研制的DHR9401落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)6個(gè)固－簡(jiǎn)約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件和6個(gè)翼緣下支墊剛性平臺(tái)約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件進(jìn)行了側(cè)向沖擊試驗(yàn)，側(cè)向沖擊荷載針對(duì)鋼柱強(qiáng)軸作用，且暫不考慮鋼柱軸向力作用對(duì)鋼柱抗沖擊性能的影響。通過記錄沖擊力時(shí)程曲線、沖擊力值、柱中局部殘余變形和整體殘余變形量，研究了鋼柱在3種不同沖擊能量作用下的動(dòng)態(tài)抗沖擊力學(xué)性能。利用試驗(yàn)中沖擊受損的熱軋H型鋼柱試件，可以繼續(xù)開展鋼柱殘余承載性能的試驗(yàn)研究及分析工作。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

結(jié)合工程實(shí)際并綜合考慮試驗(yàn)條件，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12個(gè)熱軋H型鋼柱試件，試件的規(guī)格完全相同，均為 HW100×100×6×8，材質(zhì)為 Q235－B，高度為1．5 m，上、下端板均采用16 mm厚方形鋼板，材質(zhì)為Q345－B，上、下端板均與H型鋼柱之間滿焊，且下端板與鋼柱之間設(shè)置2個(gè)三角形小加勁肋。試件的形式如圖1所示。

圖1 試件構(gòu)造示意圖Fig．1 Details of specimen

本次試驗(yàn)考慮了兩種不同的約束邊界條件：第一種：H型鋼柱底端固定、上端鉸支形式的固－簡(jiǎn)約束邊界條件；第二種：H型鋼翼緣下支墊剛性平臺(tái)邊界條件。由于在實(shí)踐中往往出現(xiàn)鋼柱的翼緣和腹板已發(fā)生較嚴(yán)重的局部屈曲變形，而鋼柱柱身仍保持較好的直立性，未見較大整體側(cè)向彎曲的情況，因此專門設(shè)計(jì)第二種邊界條件，以實(shí)現(xiàn)在鋼柱不產(chǎn)生整體彎曲的情況下僅僅發(fā)生局部屈曲變形的模擬，這為考察側(cè)向沖擊荷載作用下熱軋H型鋼柱的翼緣和腹板發(fā)生較大的局部屈曲變形和鋼柱剩余承載力之間的量化關(guān)系奠定了技術(shù)條件。

每種邊界條件各有6個(gè)試件，同種邊界條件下考慮3個(gè)沖擊能量水平。試件試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。試件編號(hào)中首字母的L和G用于區(qū)別邊界條件，G表示固－簡(jiǎn)約束邊界條件，L表示翼緣下支墊剛性平臺(tái)邊界條件；第二位的L、M、H分別表示低、中、高3個(gè)沖擊高度；末尾數(shù)字1、2為同工況下的試件編號(hào)。沖擊位置自上端板底邊算起，h為試件高度。

試驗(yàn)中為實(shí)現(xiàn)固－簡(jiǎn)約束邊界條件，設(shè)計(jì)了專用固定支座，支座采用Q345－B鋼材制作，立板上設(shè)有8個(gè)螺栓孔，通過8個(gè)10．9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓與試件下端板相連，固定支座底板通過4個(gè)10．9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓與試驗(yàn)剛性平臺(tái)錨固連接。

試驗(yàn)前，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》GB6937－86、《鋼材力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定》GB2975－82的有關(guān)規(guī)定，分別對(duì)H型鋼的翼緣和腹板取樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定。表2給出了鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)。

表1 試件參數(shù)表Tab．1 Parameters table of test specimen

表2 試件鋼材的基本力學(xué)性能參數(shù)Tab．2 Themechanical properties of steel

1.2 試驗(yàn)裝置與測(cè)試內(nèi)容

本試驗(yàn)采用的DHR9401落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)裝置如圖2所示，主要由試驗(yàn)機(jī)架、滑軌、卷?yè)P(yáng)機(jī)、落錘、沖擊力傳感器、TDS420A數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示波器組成。DHR9401落錘試驗(yàn)機(jī)最大有效落差達(dá)12．60 m，相應(yīng)的沖擊速度可達(dá)15．7 m／s，能夠滿足大范圍內(nèi)低速?zèng)_擊試驗(yàn)的要求。

本次試驗(yàn)沖擊物總重為150．04 kg，由落錘和沖擊頭以及沖擊力傳感器組成。沖擊頭由硬度為64HRC的鉻15制成，重25．5 kg，沖擊頭為平頭，形狀及尺寸如圖3所示。

圖2 DHR9401落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)及沖擊頭參數(shù)Fig．2 Drop hammer impact tester

圖3 沖擊頭形狀及幾何尺寸Fig．3 The shape and size of pounding head

圖4給出了固－簡(jiǎn)約束邊界條件安裝方式，鋼柱固定端與專用固定支座連接，簡(jiǎn)支端直接放置在直徑50 mm的鋼棒上。圖5給出了支墊剛性平臺(tái)邊界條件安裝方式，在試件翼緣下方支墊了剛性平臺(tái)梁，以限制試件的整體撓曲變形，同時(shí)為防止沖擊過程中試件跳動(dòng)移位，在試件兩端部加臨時(shí)蓋板。試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容包括：①?zèng)_擊力時(shí)程曲線和沖擊力值；②試件受沖擊部位的局部殘余變形量；③試件中部的整體殘余變形量。

本文以沖擊試驗(yàn)前后柱中翼緣外邊緣的相對(duì)位置變化作為試件的局部殘余變形量δ，以沖擊試驗(yàn)前后柱中截面位置的縱軸線相對(duì)位置變化作為試件的整體殘余變形量Δ，單位均為mm，見示意圖6，試驗(yàn)時(shí)采用高度游標(biāo)卡尺量測(cè)。

圖4 固－簡(jiǎn)約束邊界條件下的試件安裝實(shí)景Fig．4 The assembly diagram of test site of specimens

圖5 下翼緣支墊剛性平臺(tái)梁試件安裝實(shí)景Fig．5 The assembly diagram of test site of specimens lay on rigid beam

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件的破壞形態(tài)及殘余變形量

圖6 殘余變形量示意圖Fig．6 The schematic diagram of residual deformation

圖7為6個(gè)固－簡(jiǎn)約束邊界試件在柱中0．5 h處受沖擊后的最終變形形態(tài)，同時(shí)給出變形值。除試件G－L1外，其余試件都發(fā)生了較為明顯的局部屈曲變形和整體撓曲變形，且變形隨著沖擊能的增加而增大。試件G－L1的沖擊能量最小，試件整體未見明顯變化，僅直接受沖擊部位發(fā)生微小局部殘余變形（最大變形僅為1．71 mm）。該組試件受到?jīng)_擊時(shí)，上翼緣受到落錘的劇烈撞擊，沖擊部位翼緣發(fā)生凹陷，部分動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為變形能，上翼緣吸收能量后傳向腹板，腹板并沒有產(chǎn)生明顯局部屈曲，而是直接傳向下翼緣，試件發(fā)生整體撓曲變形。圖8（a）給出了6個(gè)翼緣下支墊剛性平臺(tái)約束邊界試件的變形模態(tài)及變形值，顯然與圖7中試件的變形模態(tài)差別很大。在沖擊力作用下，直接受到?jīng)_擊的上翼緣和腹板出現(xiàn)明顯的局部屈曲變形，而試件由于受到下部剛性平臺(tái)的支承約束無法發(fā)生整體變形，試件基本呈直線形。這組試件受到?jīng)_擊時(shí)，直接受沖擊部位的上翼緣產(chǎn)生局部凹陷，并伴有輕度剪切變形，沖擊能量?jī)H在沖擊區(qū)域附近耗散，導(dǎo)致沖擊點(diǎn)下方的腹板區(qū)域吸收剩余沖擊能后產(chǎn)生嚴(yán)重的平面外鼓曲（屈曲）。

圖8－（b）（c）（d）圖分別為1．67m、2m、2．5m高度處沖擊時(shí)產(chǎn)生的局部屈曲破壞形態(tài)，可以看出，沖擊能量越高，腹板和翼緣處出現(xiàn)的局部屈曲變形就越嚴(yán)重。

圖7 固－簡(jiǎn)支試件側(cè)向沖擊后的變形模式Fig．7 Deformation modes of specimens under fixed-simple boundary condition

綜上所述，沖擊高度對(duì)試件的殘余變形影響很大，沖擊高度越高，沖擊能量越大，試件的局部殘余變形和整體殘余變形就越大。應(yīng)注意到，對(duì)于同一沖擊工況的兩個(gè)試件，跨中撓度也會(huì)存在較大的差值，但總體變形趨勢(shì)不受影響。如試件G－H1和G－H2。產(chǎn)生的差異原因是多方面的，包括測(cè)量誤差、落錘的實(shí)際沖擊位置未嚴(yán)格落在標(biāo)記的中心線上，試件本身的材質(zhì)不均勻和邊界條件不完全一致等。

圖8 翼緣下支墊剛性平臺(tái)約束邊界試件的變形模式Fig．8 Deformation modes of specimens laid on rigid beam

2.2 沖擊力時(shí)程曲線

表3給出了試件在不同沖擊能量下的試驗(yàn)結(jié)果。在側(cè)向沖擊下，翼緣下支墊剛性平臺(tái)約束邊界試件的沖擊力平臺(tái)值明顯高于固－簡(jiǎn)約束邊界試件，前者在230～250 kN之間，而后者僅在150 kN左右。相同邊界條件下的試件具有較穩(wěn)定的沖擊力平臺(tái)值，由此可知：一旦當(dāng)各個(gè)試件的截面、長(zhǎng)度、受約束情況均確定時(shí)，試件抵抗沖擊荷載的能力并不因沖擊能量的不同而改變。同時(shí)可以看出，沖擊高度對(duì)沖擊力峰值有直接影響，沖擊高度越大，沖擊力峰值越大，各試件的沖擊力峰值有一定的差異。固－簡(jiǎn)約束邊界試件的沖擊時(shí)間最小為 10．1 ms，最大為 14．46 ms，明顯長(zhǎng)于翼緣下支墊剛性平臺(tái)梁約束邊界試件（介于5．02～7．82 ms之間），沖擊時(shí)間的總體趨勢(shì)是隨著沖擊高度的升高逐漸延長(zhǎng)，同一沖擊高度的沖擊時(shí)間相差并不大。

表3 試件的沖擊力測(cè)量結(jié)果Tab．3 Themeasured results of specimens under fixed-sim ple boundary condition

從圖9中固－簡(jiǎn)約束邊界試件的沖擊力時(shí)程曲線可以看出，在開始階段，快速降落的沖擊落錘與試件接觸瞬間，二者之間的接觸力急劇上升并達(dá)到?jīng)_擊力峰值，此時(shí)落錘一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成試件的變形能，被沖擊區(qū)域剛度下降，落錘和試件短暫分離，沖擊力迅速衰減為零。首次接觸瞬間試件獲得較大的速度，落錘被彈起后又落下，試件彈性恢復(fù)時(shí)二者再次接觸，沖擊力再次達(dá)到峰值，兩次峰值大小相近，故而沖擊力時(shí)程曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值。經(jīng)過兩次波動(dòng)后，沖擊力進(jìn)入穩(wěn)定階段，試件以變形消耗沖擊能量，落錘與試件速度逐漸降低。大約經(jīng)過10 ms，沖擊力進(jìn)入卸載階段，最后落錘與試件的速度降低直到靜止，沖擊力最終下降到零點(diǎn)，完成整個(gè)沖擊過程。

圖10給出了翼緣下支墊剛性平臺(tái)約束邊界試件的沖擊力時(shí)程曲線。沖擊力曲線經(jīng)歷了峰值段、平臺(tái)段和下降段，具有較明顯的特征。落錘和試件接觸后沖擊力劇烈上升達(dá)到峰值，在翼緣和腹板發(fā)生大變形后，沖擊力經(jīng)歷短暫的平臺(tái)值后持續(xù)降低，這與跨中翼緣和上部腹板發(fā)生嚴(yán)重的屈曲變形有關(guān)。圖10（a）、（b）、（c）分別比較了相同沖擊高度下鋼柱試件的沖擊力時(shí)程曲線，同一沖擊高度的沖擊時(shí)間相差不大，試件的沖擊力平臺(tái)值在230～250 kN之間，較為穩(wěn)定。圖10（d）表明，沖擊高度越大，沖擊力峰值越大，沖擊時(shí)間隨著沖擊高度的升高逐漸變長(zhǎng)。

圖9 固－簡(jiǎn)支試件在側(cè)向沖擊下的沖擊力時(shí)程曲線Fig．9 The time history curves of impact force for specimens under fixed-simple boundary condition

2．3 兩種邊界條件下的沖擊力時(shí)程曲線比較

圖11給出了相同沖擊能量下的固－簡(jiǎn)約束邊界試件和翼緣下支墊剛性梁約束邊界試件的沖擊力時(shí)程曲線，可以看出，兩者在沖擊力平臺(tái)值和沖擊時(shí)間方面有很大的差異，前者達(dá)到?jīng)_擊力峰值后，大約經(jīng)歷3 ms進(jìn)入平臺(tái)階段，而后者達(dá)到?jīng)_擊力峰值后，不到1 ms即進(jìn)入平臺(tái)階段，約3 ms后迅速下降，整個(gè)沖擊力響應(yīng)過程非常短暫。后者的沖擊時(shí)間相對(duì)前者的沖擊時(shí)間要短很多，沖擊力平臺(tái)值卻比前者高一倍左右。這一試驗(yàn)現(xiàn)象說明在沖擊荷載作用下，固－簡(jiǎn)約束邊界試件的整體抗彎剛度相對(duì)較小，以向下發(fā)生整體大變形來緩和落錘與試件之間的沖擊力，產(chǎn)生較低的沖擊力平臺(tái)值，同時(shí)延長(zhǎng)了沖擊時(shí)間，表現(xiàn)出較好的延性。而翼緣下支墊剛性梁的約束邊界試件受到剛性梁的限制，無法產(chǎn)生較大整體變形，只能依靠受沖擊部位的翼緣和腹板的嚴(yán)重局部屈曲變形來消耗沖擊能量，試件與落錘間的碰撞顯得尤為劇烈，形成短暫的較高的沖擊力平臺(tái)值。

圖10 支墊剛性平臺(tái)梁試件的沖擊力時(shí)程曲線Fig．10 The time history curves of impact force for specimens laid on rigid beam

圖11 相同沖擊能量下不同約束試件的沖擊力時(shí)程曲線Fig．11 The time history curves of specimens with the same impact energy under different constraints

3 殘余變形與沖擊能量的關(guān)系

圖12 殘余變形與沖擊能的關(guān)系Fig．12 The relationship between residual deformation and impact energy

圖12給出了兩種邊界條件試件的殘余變形與沖擊能的相關(guān)關(guān)系直方圖，其中對(duì)翼緣下支墊剛性梁約束邊界試件，殘余變形取同一沖擊能量下兩個(gè)試件的柱中局部殘余變形的平均值δ—；對(duì)固－簡(jiǎn)約束邊界試件，殘余變形取同一沖擊能量下兩個(gè)試件的柱中整體彎曲殘余變形的平均值Δ—?？梢钥闯?，柱中殘余變形均隨著沖擊能量的增大而增大，邊界條件對(duì)于柱中殘余變形的影響很大。

4 結(jié) 論

本文對(duì)6個(gè)固－簡(jiǎn)約束邊界條件的熱軋H型鋼柱試件和6個(gè)翼緣下支墊剛性平臺(tái)邊界條件的熱軋H型鋼柱試件分別進(jìn)行了3種不同沖擊高度的側(cè)向沖擊試驗(yàn)，在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)得到了以下一些結(jié)果：

（1）在側(cè)向沖擊荷載作用下，固－簡(jiǎn)約束邊界條件試件除了產(chǎn)生較大整體彎曲殘余變形外，還產(chǎn)生了一定量的局部殘余變形；翼緣下支墊剛性平臺(tái)邊界條件試件則在受撞擊區(qū)域的上翼緣和腹板上產(chǎn)生了嚴(yán)重的局部屈曲，并伴有輕度剪切變形，沖擊能量?jī)H在沖擊區(qū)域附近耗散，試件沒有出現(xiàn)明顯的整體變形。熱軋H型鋼柱試件表現(xiàn)出較好的延性和抗撞性能。

（2）在側(cè)向沖擊荷載作用下，邊界條件的改變對(duì)試件的沖擊力和沖擊時(shí)間均有顯著影響。固－簡(jiǎn)約束邊界條件試件具有較低的沖擊力平臺(tái)值和較長(zhǎng)的沖擊響應(yīng)時(shí)間，而翼緣下支墊剛性平臺(tái)邊界條件試件則具有較高的沖擊力平臺(tái)值和較短的沖擊響應(yīng)時(shí)間。

（3）同種邊界條件下的試件具有較穩(wěn)定的沖擊力平臺(tái)值。試件抵抗沖擊荷載的能力并不因沖擊能量的不同而改變。沖擊時(shí)間的總體趨勢(shì)是隨著沖擊能的增大而延長(zhǎng)。

（4）兩種邊界條件下試件的局部殘余變形和整體彎曲殘余變形均隨著沖擊能量的增大而增大，邊界條件的改變對(duì)于柱中變形的影響非常明顯。

［1］曲慧，霍靜思，許超．環(huán)口板加強(qiáng)后T型管節(jié)點(diǎn)落錘抗沖擊試驗(yàn)研究［J］．振動(dòng)與沖擊，2013，32（1）：108－112．QU Hui，HUO Jing-si，XU Chao．Dynamic behaviors of a collar plate reinforced tubular T-joint under drop weight impact loads［J］．Journal of Vibration and Shock，2013，32（1）：108－112．

［2］王蕊．鋼管混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在側(cè)向撞擊下動(dòng)力響應(yīng)及其損傷破壞的研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2008．

［3］姜華，賀拴海，王君杰．鋼筋混凝土梁沖擊試驗(yàn)數(shù)值模擬研究［J］．振動(dòng)與沖擊，2012，31（15）：140－145 JIANG Hua，HE Shuan-hai，WANG Jun-jie．Numerical simulation of the impact test of reinforced concrete beams［J］．Journal of Vibration and Shock，2012，31（15）：140－145．

［4］任曉虎，霍靜思，陳柏生．高溫后鋼管混凝土短柱落錘動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)研究［J］．振動(dòng)與沖擊，2011，30（11）：67－73．Ren Xiao-hu，Huo Jing-si，Chen Bai-sheng．Dynamic behaviors of concrete-filled steel tubular stubcolumns after exposure to high temperature［J］．Journal of Vibration and Shock，2011，30（11）：67－73．

［5］霍靜思，張晉清，陳柏生，等．沖擊荷載作用下熱軋H型鋼梁力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（12）：242－249．HUO Jing-si，ZHANG Jin-qing，CHEN Bai-sheng，et al．Dynamic behaviors of hot-rolled steel beams under drop weight impact loading［J］．Journal of Building Structures，2011，32（12）：242－249．

［6］魏薇，費(fèi)燕，李俊，等．高寒地區(qū)用H型鋼低溫沖擊性能分析與改進(jìn)［J］．中國(guó)冶金，2012，22（5）：18－24．WEIWei，F(xiàn)EIYan，LI Jun，et al．Analysis and improvement on low-temperature impact of H-shaped steel used of frigid regions［J］．Chinametallurgy，2012，22（5）：18－24．

［7］ PEIChang，WANG Rui．Parametric analysis of the dynamic response of hot-rolled H-shaped steel beam under lateral impact load［C］．Applied Mechanics and Materials．2012：998－1002．