Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計(jì)算方法

趙勝江 金勝?gòu)?qiáng) 姚石輝 雷張斌 金雨飛 孫德發(fā)

摘 要：在分析比較冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）相關(guān)條文規(guī)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)度分別為300 mm、500 mm和1000 mm，截面尺寸為L(zhǎng)30×2.0冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計(jì)算方法進(jìn)行了較深入的探討和對(duì)比分析。結(jié)果表明：采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）中的有效寬度法可以有效地預(yù)測(cè)Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力，且與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼 等邊角鋼 壓桿 有效寬度法 極限承載力

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0096-02

冷彎薄壁型鋼作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型建筑材料，具有截面形狀合理、力學(xué)性能良好、鋼材利用率高等特點(diǎn)，其已經(jīng)被大量使用在輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中，如低層住宅、工業(yè)廠房、鋼模板、腳手架、橋梁結(jié)構(gòu)、輸電線塔等。角鋼構(gòu)件是鋼結(jié)構(gòu)中的一類重要構(gòu)件，它具有易安裝和連接方便的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于塔架結(jié)構(gòu)、格構(gòu)柱、桁架結(jié)構(gòu)及支撐等結(jié)構(gòu)。冷彎型角鋼不受截面規(guī)格的限制，截面開(kāi)展形式多樣，更能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)使用的需要。

冷彎角鋼截面屬開(kāi)口薄壁構(gòu)件，在軸向壓力作用下其失穩(wěn)類型歸納有4種：（1）對(duì)最小主軸的彎曲屈曲；（2）彎扭屈曲；（3）局部屈曲；（4）彎扭-局部屈曲。

從“冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[1]”

（GB50018-2002）第5.2.3條規(guī)定可以看出，計(jì)算截面全部有效的不卷邊的等邊單角鋼軸心受壓構(gòu)件，只考慮了彎曲屈曲，并沒(méi)有考慮彎扭屈曲和局部屈曲等形式。如果計(jì)算截面不是全部有效怎么辦呢？四種失穩(wěn)形式，究竟誰(shuí)起控制作用呢？該文將在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）中的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算與分析，以檢驗(yàn)我國(guó)規(guī)范的適用性。

1 試驗(yàn)概況

試件材料為Q345，截面尺寸為L(zhǎng)30×2.0，截面特性見(jiàn)表1，符號(hào)定義見(jiàn)圖1。試件長(zhǎng)度分別為300、500和1000 mm，每組測(cè)試3個(gè)試件。試驗(yàn)采用液壓試驗(yàn)機(jī)，試件直接置于試驗(yàn)機(jī)上下兩端板之間，基本滿足兩端約束條件[2]，試件加載裝置和試件布置示意見(jiàn)圖2。試件試驗(yàn)承載力見(jiàn)表2。理論計(jì)算取=345N/mm2，=300N/mm2，=206000N/mm2。

2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）的規(guī)定

2.1 第5.2.3條的規(guī)定

計(jì)算閉口截面、雙軸對(duì)稱的開(kāi)口截面和截面全部有效的不卷邊的等邊單角鋼軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)取按下列公式算得的較大值：

（1）

（2）

式中、為構(gòu)件對(duì)截面主軸x軸和y軸的長(zhǎng)細(xì)比；、—構(gòu)件在垂直于截面主軸x軸和y軸的平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度；、為構(gòu)件毛截面對(duì)其主軸x軸和y軸的回轉(zhuǎn)半徑。

2.2 第5.2.4條的規(guī)定

計(jì)算單軸對(duì)稱的開(kāi)口截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)取按公式（2）和下式算得的較大值：

（3）

（4）

（5）

式中 為彎扭屈曲的換算長(zhǎng)細(xì)比；為毛截面扇形慣性矩；為毛截面抗扭慣性矩；為毛截面的彎心在對(duì)稱軸上的坐標(biāo)；為扭轉(zhuǎn)屈曲的計(jì)算長(zhǎng)度，；為無(wú)綴板時(shí)，為構(gòu)件的幾何長(zhǎng)度；有綴板時(shí)，取兩相鄰綴板中心線的最大距離；，為約束系數(shù)。

冷彎薄壁等邊角鋼壓桿，穩(wěn)定承載力，取，見(jiàn)表3。

2.3 第5.6條的規(guī)定

對(duì)于非加勁板件，有效寬度按下式計(jì)算：

當(dāng) （6）

當(dāng)

（7）

當(dāng) （8）

式中：為板件寬度；為板件厚度；為板件有效寬度；為計(jì)算系數(shù)，取值為1.0；為板件應(yīng)力不均勻系數(shù)，取值為1.0；為板件受壓區(qū)寬度，取值為其板寬；為計(jì)算系數(shù)，，其中，為按毛截面算出構(gòu)件最大長(zhǎng)細(xì)比，查GB50018-2002附錄表A.1.1-2而求得的穩(wěn)定系數(shù)，為板件屈曲系數(shù)，取值為0.425；為板組約束系數(shù)，取值為1.0。

冷彎薄壁等邊角鋼壓桿，穩(wěn)定承載力，見(jiàn)表4。

3 計(jì)算結(jié)果分析

按冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）不同條文規(guī)定計(jì)算的兩端簡(jiǎn)支冷彎薄壁等邊角鋼壓桿（L30×2.0）極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)圖3。

從圖3來(lái)看，對(duì)于兩端簡(jiǎn)支的試件，只有采用有效截面（按有效寬度法計(jì)算）的計(jì)算結(jié)果N基本小于試驗(yàn)值Nt，說(shuō)明此計(jì)算方法是合理的。

當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比較小時(shí)，有可能出現(xiàn)彎扭屈曲模式。因此設(shè)計(jì)時(shí)，此類構(gòu)件應(yīng)列入冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）單軸對(duì)稱截面軸心壓桿一類進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，即考慮構(gòu)件彎扭失穩(wěn)采用規(guī)范給出的換算長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

綜上所述，現(xiàn)行冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）將冷彎薄壁等邊單角鋼軸壓桿歸入閉口截面和雙軸對(duì)稱開(kāi)口截面一類設(shè)計(jì)，只考慮了角鋼的彎曲屈曲模式破壞而沒(méi)有考慮角鋼的彎扭屈曲模式是不合適的。當(dāng)角鋼發(fā)生彎扭屈曲模式破壞時(shí)，按冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）第5.2.3條的規(guī)定設(shè)計(jì)將不能確保角鋼軸壓桿的安全，建議規(guī)范對(duì)此應(yīng)該進(jìn)行修改，應(yīng)將冷彎角鋼軸壓桿納入單軸對(duì)稱截面，考慮彎扭屈曲一類桿件設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮截面的有效問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明：采用冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）中的有效寬度法可以有效地預(yù)測(cè)Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力，與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

參考文獻(xiàn)

[1] GB50018-2002.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

[2] 周鵬杰，冷光，孫德發(fā).冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力的計(jì)算方法[J].山西建筑，2011，37（6）：25-27.