開口冷彎厚壁型鋼軸壓構(gòu)件抗震性能研究

付小超，李元齊，沈祖炎

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

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開口冷彎厚壁型鋼軸壓構(gòu)件抗震性能研究

付小超，李元齊，沈祖炎

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

為研究開口冷彎厚壁型鋼構(gòu)件在軸向滯回荷載作用下的抗震性能，首先選取了3根壁厚t>6 mm的冷彎內(nèi)卷邊槽鋼進(jìn)行軸向滯回試驗(yàn)，然后建立相關(guān)的ANSYS有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算，在與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比的基礎(chǔ)上，選取了不同的腹板寬厚比(h/t=25～90)、繞弱軸長(zhǎng)細(xì)比(λy=30～90)的構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化分析計(jì)算。研究結(jié)果表明：寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比是影響冷彎型鋼抗震性能的兩個(gè)主要因素，寬厚比(h/t)越大抗震性能越差，長(zhǎng)細(xì)比(λy)越大抗震性能同樣也越差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免選擇長(zhǎng)細(xì)比和寬厚比均較大的構(gòu)件。

冷彎厚壁型鋼;滯回;抗震性能;寬厚比;長(zhǎng)細(xì)比

建筑業(yè)是冷彎型鋼最主要的用戶，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家建筑業(yè)用冷彎型鋼已占其建筑用鋼的40%～70%[1]。當(dāng)前，關(guān)于冷彎型鋼的研究側(cè)重的是冷彎薄壁型鋼(習(xí)慣上把壁厚不超過6 mm的冷彎型鋼稱為冷彎薄壁型鋼[2])，并取得了非常豐富的研究成果，很多國(guó)家制定了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)力水平的提高，冷彎厚壁(壁厚t>6 mm)型鋼的生產(chǎn)及應(yīng)用也慢慢開始廣泛。目前，我國(guó)新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》修訂工作正在進(jìn)行，明確了新規(guī)范適用于0.6～25mm厚的冷彎型鋼，并且確定需要增加冷彎型鋼關(guān)于抗震性能的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)入新規(guī)范。這些對(duì)冷彎厚壁型鋼的研究都提出了新的要求和挑戰(zhàn)。目前關(guān)于冷彎厚壁型鋼的研究，主要停留在冷彎強(qiáng)化效應(yīng)、殘余應(yīng)力分布及相應(yīng)短柱軸壓試驗(yàn)上[3-5]，而冷彎厚壁類構(gòu)件的抗震性能研究未見報(bào)道，只有少量關(guān)于薄壁型鋼的抗震性能研究[6-9]。冷彎薄壁型鋼抗震性能的研究主要是軸向滯回[6]、壓彎滯回[7-8]和受彎構(gòu)件滯回[9]的研究。由于研究對(duì)象均是薄壁型鋼，寬厚比較大，容易發(fā)生局部屈曲甚至畸變屈曲[6]，所以其表現(xiàn)出來的抗震性能不是很理想，研究結(jié)果表明：寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比是影響其抗震性能的主要因素。然而，厚壁型鋼力學(xué)性能與薄壁型鋼存在諸多差異，關(guān)于其抗震性能的研究尚未見報(bào)道，因此本文選取了3根壁厚t>6 mm的冷彎內(nèi)卷邊槽鋼(C形鋼)進(jìn)行軸向滯回試驗(yàn)，然后建立相關(guān)的ANSYS有限元模型進(jìn)行計(jì)算，在與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比、驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，選取不同寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比值進(jìn)行參數(shù)化分析，以研究冷彎厚壁型鋼的抗震性能。

表1　試件設(shè)計(jì)參數(shù)

1　試驗(yàn)概況

1.1試件選擇

綜合考慮現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備加載能力、試驗(yàn)裝置空間限制、試驗(yàn)成本等因素，本文選取了3根冷彎內(nèi)卷邊槽鋼進(jìn)行軸向滯回試驗(yàn)，其截面形式及符號(hào)標(biāo)注如圖1所示。

如表1所示，本試驗(yàn)選擇表中3種規(guī)格的冷彎型鋼進(jìn)行試驗(yàn)研究，表中數(shù)據(jù)均為實(shí)測(cè)值。其中，λy為截面繞弱軸y的長(zhǎng)細(xì)比，λym為實(shí)測(cè)母材屈服強(qiáng)度，其余符號(hào)意義見圖1。

1.2試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑工程系結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，采用10 000 kN大型多功能靜電液壓伺服試驗(yàn)裝置(MTS)，豎向壓10 000 kN、豎向拉3000 kN，有效行程±300 mm。上、下支座鉸接是通過銷鉸支座連接實(shí)現(xiàn)；軸向反復(fù)拉、壓荷載通過豎直千斤頂施加于試件截面的形心；加載時(shí)，水平千斤頂?shù)乃轿灰票３植蛔儯湄Q向位移跟動(dòng)于豎向千斤頂，以模擬真實(shí)的鉸接，并防止試件側(cè)翻，保證安全。

1.3加載制度

[10]建議的加載制度，本試驗(yàn)以位移控制為主，通過控制作動(dòng)器豎向位移進(jìn)行加載，加載控制分彈性、屈服兩個(gè)階段。具體采用如下加載制度：

(1)屈服前分3級(jí)，每級(jí)為±0.25Δy、±0.5Δy、±0.75Δy，每級(jí)位移循環(huán)1圈；

(2)屈服后每級(jí)為±Δy、±1.5Δy、±2Δy、±3Δy……，每級(jí)位移循環(huán)3圈，直至試件破壞或嚴(yán)重變形，結(jié)束加載。

Δy為全截面屈服位移，見表1。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中，柱高中部變形最大，約加載到1Δy～1.5Δy時(shí)，柱中約1.5倍腹板高度范圍內(nèi)的板件開始出現(xiàn)表層氧化鐵皮脫落現(xiàn)象，但各板件基本保持不變形，證明截面整體被壓縮進(jìn)入屈服，這不同于薄壁構(gòu)件試驗(yàn)[6]的板件會(huì)在整體屈服之前局部屈曲、鼓曲，表面仍然光滑；查看此時(shí)的應(yīng)變片讀數(shù)，柱高中部應(yīng)變基本進(jìn)入了塑性應(yīng)變。約加載至2Δy之后，卷邊、腹板開始出現(xiàn)輕微變形，隨著位移繼續(xù)增加，其承載力開始下降，試件開始變形加劇，主要是整體彎向開口方向，卷邊方向受壓變形最厲害；到最終破壞時(shí)，卷邊處的自由邊凹進(jìn)，翼緣略有外鼓，腹板由于受拉，未見明顯鼓曲。由于試件均是厚壁型鋼，寬厚比較小，不容易發(fā)生局部屈曲，所以試件在破壞過程中未見到明顯局部屈曲現(xiàn)象。

2.2試驗(yàn)滯回曲線

將豎向往復(fù)荷載N和往復(fù)位移Δ記錄的數(shù)據(jù)繪制成荷載-位移滯回曲線，見圖2。由圖可看出，

三者滯回曲線均比較飽滿，荷載下降緩慢。對(duì)比文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)結(jié)果以及后文中有限元模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)冷彎厚壁型鋼軸向滯回曲線要飽滿的多，說明厚壁型鋼滯回性能優(yōu)越。

對(duì)比試件C4-t12-L30-T和C4-t12-L50-T，兩者截面相同，只是長(zhǎng)細(xì)比不同，長(zhǎng)細(xì)比小的C4-t12-L30-T曲線飽滿程度大于長(zhǎng)細(xì)比大的C4-t12-L50-T，耗能更好；且峰值荷載之后，長(zhǎng)細(xì)比小的每級(jí)滯回圈下降的也慢，延性更好?？傊?，相同截面，長(zhǎng)細(xì)比小的抗震性能更好。此處試件C4-t12-L50-T的滯回曲線滯回圈數(shù)過少，顯的不夠飽滿，主要原因是此試件是第一個(gè)做的試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)機(jī)滯回加載掌控不足，導(dǎo)致其中有兩級(jí)位移加載過頭，超過控制位移。

對(duì)比試件C2-t8-L50-T和C4-t12-L50-T，兩者截面不同，但長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比均相同，可是C2-t8-L50-T包絡(luò)的面積遠(yuǎn)小于C4-t12-L50-T的，主要是后者管壁更厚，承載力更高，所以耗能能力更強(qiáng)。

3　有限元模擬

3.1模型的建立

本文采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行參數(shù)化分析。選取SHELL181單元模擬槽鋼構(gòu)件。鋼材選用Q235，屈服強(qiáng)度取名義屈服值fy=235mPa；選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，彈性模量E=2.06×105MPa，切線模量E1=0.001E；泊松比v=0.3。在構(gòu)件模型兩端添加端板和加勁肋，盡量模擬真實(shí)試驗(yàn)情況。采用自由網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分尺寸為6 mm×9 mm。

3.2模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

有限元模型的正確性影響后續(xù)參數(shù)化分析的結(jié)果，是必要的前期工作，顯得格外重要。先用本有限元模型對(duì)上文中3個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行模擬計(jì)算比較，發(fā)現(xiàn)無論是破壞模式還是滯回曲線，均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明該模型建立的比較合理、準(zhǔn)確，可以用于后續(xù)參數(shù)化分析。

另外，由有限元的von Misses應(yīng)力分布圖可看出，構(gòu)件中部應(yīng)力最大，達(dá)到了鋼材屈服值fy=235mPa，證明構(gòu)件全截面進(jìn)入屈服狀態(tài)，充分發(fā)揮了厚壁型鋼材料的力學(xué)性能。

3.3參數(shù)化分析模型選擇

在以上有限元計(jì)算模型準(zhǔn)確基礎(chǔ)上，此處選擇2、4、8、12、16 mm的五種壁厚的冷彎型鋼用于參數(shù)化分析，具體尺寸規(guī)格見表2。表中，L為試件長(zhǎng)度；Δy(=Ny·L/EA)為全截面屈服位移；λy為截面繞弱軸y的長(zhǎng)細(xì)比，其余符號(hào)見圖1。

4　有限元結(jié)果分析

4.1滯回曲線

滯回曲線是分析試件抗震性能最主要的途徑，從曲線中可以提取骨架曲線、剛度退化、耗能系數(shù)、延性系數(shù)等非常多的參數(shù)進(jìn)行抗震性能分析。通過ANSYS有限元模擬所得典型滯回曲線如圖3- 圖5所示，其中第一象限為受壓區(qū)，第三象限為受拉區(qū)。限于篇幅，此處只給出C1-t2、C3-t8、C5-t16三系列構(gòu)件曲線圖。

由圖3-圖5明顯可看出滯回曲線是非對(duì)稱的，是由于構(gòu)件拉、壓性能不一樣，導(dǎo)致荷載不對(duì)等。還發(fā)現(xiàn)，寬厚比影響滯回曲線的飽滿程度，如圖3中，腹板寬厚比h/t=90，屬于薄壁構(gòu)件，發(fā)生了局部屈曲現(xiàn)象，受壓區(qū)提前失穩(wěn)破壞，較受拉區(qū)荷載值小的多；圖5試件為小寬厚比(h/t=25)，未發(fā)生局部屈曲，其滯回曲線比圖3的要顯得飽滿多，抗震性能最優(yōu)越；而寬厚比值相對(duì)居中的圖4構(gòu)件(h/t=37.5)，滯回曲線飽滿程度介于上述兩者之間。長(zhǎng)細(xì)比也是影響滯回曲線飽滿程度的一個(gè)主要因素，同一截面構(gòu)件，長(zhǎng)細(xì)比越大，越容易發(fā)生整體失穩(wěn)，其滯回曲線越不飽滿，如構(gòu)件C5-t16-L30與構(gòu)件C5-t16-L90，雖然均未發(fā)生局部屈曲現(xiàn)象，但由于C5-t16-L90長(zhǎng)細(xì)比較大，屬于長(zhǎng)柱，較長(zhǎng)細(xì)比小的短柱仍顯得不夠飽滿，抗震性能要差。

表2　模型規(guī)格尺寸

4.2骨架曲線

骨架曲線為滯回曲線，是各加載級(jí)第一循環(huán)的峰值點(diǎn)所連成的包絡(luò)線。將所有表2中構(gòu)件有限元模擬所得滯回曲線提取骨架曲線，結(jié)果如圖6- 圖7所示。為便于不同截面比較，圖中骨架曲線坐標(biāo)值均采用相對(duì)值，其中N、Ny分別為軸向荷載、全截面屈服荷載，Δ、Δy分別為軸向位移、屈服位移。

(1)長(zhǎng)細(xì)比影響

圖6為寬厚比相同，但長(zhǎng)細(xì)比不同情況下的骨架曲線。從圖6可看出長(zhǎng)細(xì)比對(duì)構(gòu)件抗震性能影響：相同截面不同長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件，其初始剛度相近；受壓區(qū)(第一象限)峰值荷載長(zhǎng)細(xì)比大的構(gòu)件小于長(zhǎng)細(xì)比小的構(gòu)件，并且峰值點(diǎn)后曲線下降速度略快，說明長(zhǎng)細(xì)比大的構(gòu)件存在整體失穩(wěn)現(xiàn)象；受拉區(qū)(第三象限)峰值荷載大小與長(zhǎng)細(xì)比無關(guān)，但峰值點(diǎn)后長(zhǎng)細(xì)比大者曲線下降速度略快，說明往復(fù)的構(gòu)件失穩(wěn)破壞造成了構(gòu)件損傷累積，受拉后期承載力也隨之降低。以上分析可看出，長(zhǎng)細(xì)比對(duì)構(gòu)件抗震性能影響較大，特別是對(duì)受壓區(qū)峰值較大，對(duì)受拉區(qū)峰值點(diǎn)基本無影響，但無論受拉還是受壓，長(zhǎng)細(xì)比大者曲線下降均較快，延性降低，耗能能力減弱。

(2)寬厚比影響

圖7為長(zhǎng)細(xì)比相同，但腹板寬厚比不同情況下的骨架曲線。從圖7可看出寬厚比對(duì)構(gòu)件抗震性能影響：在相同長(zhǎng)細(xì)比情況下，隨著寬厚比增加，骨架曲線的峰值點(diǎn)逐漸降低，特別是大寬厚比的構(gòu)件，如C1-t2-90，峰值達(dá)不到屈服荷載，說明出現(xiàn)了局部屈曲，構(gòu)件提前進(jìn)入屈曲，承載力較低；而小寬厚比的構(gòu)件，如C5-t16-30，峰值略微超過屈服荷載Ny，說明無局部屈曲現(xiàn)象，截面能夠進(jìn)入塑性。

4.3剛度退化

剛度退化性能反應(yīng)構(gòu)件在地震荷載作用下后期抵抗變形的能力，本文采用同級(jí)變形下的環(huán)線剛度來描述試件的剛度退化，環(huán)線剛度的計(jì)算公式為：

圖8為長(zhǎng)細(xì)比相同，但腹板寬厚比不同情況下的剛度退化曲線。由圖8可看出，隨著每級(jí)荷載位移的增加，切線剛度逐漸下降，其中前1～3級(jí)下降最快，之后趨于平緩，從圖6-圖8的滯回曲線上也可看出該下降趨勢(shì)；λy=30構(gòu)件的切線剛度大于λy=60、90的，說明長(zhǎng)細(xì)比越大的構(gòu)件越容易失穩(wěn)破壞，構(gòu)件剛度后期下降迅速，抵抗變形能力減弱；在相同長(zhǎng)細(xì)比前提下，如構(gòu)件C1-t2-L30與C5-t16-L30，寬厚比越大的構(gòu)件，其切線剛度越小，說明冷彎薄壁型鋼抵抗變形能力差，而厚壁型鋼好，不容易變形。

5　結(jié)論

1)通過3根開口冷彎厚壁型鋼的軸向滯回試驗(yàn)證明了該類試驗(yàn)的可行性，并且本文建立的有限元模型能較好模擬該類構(gòu)件的滯回性能試驗(yàn)。

2)寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比是影響冷彎型鋼抗震性能的兩個(gè)主要因素，寬厚比越大越容易發(fā)生局部屈曲，抵抗變形能力減弱，滯回曲線不飽滿，總體抗震性能越差；長(zhǎng)細(xì)比越大越容易發(fā)生整體失穩(wěn)，抗震性能同樣越差；工程應(yīng)用中，盡量避免選用寬厚比、長(zhǎng)細(xì)比均較大的構(gòu)件。

3)厚壁冷彎型鋼總體抗震性能優(yōu)越，全截面能進(jìn)入屈服，滯回曲線飽滿，強(qiáng)度下降緩慢，延性好，抵抗變形能力強(qiáng)，可以考慮推廣到地震區(qū)使用。

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(責(zé)任編輯李軍)

Research on the seismic behaviors of opening cold-formed thick-walled steel under the axial cyclic loading

FU Xiaochao, LI Yuanqi, SHEN Zuyan

(Department of Structural Engineering, Tongji University, Shanghai, 200092)

In order to investigate the hysteretic behaviors of opening cold-formed thick-walled steel members under the axial cyclic loading, three cold-formed steel columns were tested. On the basis of compared with the test results, a finite element method (FEM) in ANSYS was established. The influence of width-thickness ratio (h/t) rang from 25to 90 for web and slenderness ratio about the weak axis y (λy) rang from 30 to 90 of such members were investigated by FEM. Analysis results indicated that the width-thickness ratio and the slenderness ratio about the weak axis y are the most important factors to affect the hysteretic behaviors. So, the cold-formed steels which with great width-thickness ratio (h/t) and great slenderness ratio (λy) should be avoided in designing, because they will lead to poor seismic performance.

cold-formed thick-walled steel; hysteretic; seismic performance; width-thickness ratio; slenderness ratio

2016-05-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178330)

付小超(1983- )，男，江西樟樹人，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)研究。

1673-9469(2016)03-0001-07

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.001

TU392.1

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