新型冷彎薄壁型鋼組合龍骨軸壓性能試驗(yàn)研究

袁 泉 索 妮 呂東鑫 王澤輝 朱洪磊

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系通常由冷彎薄壁型鋼構(gòu)件和輕型板材組成,主要用于低層住宅、廠房建設(shè)中.傳統(tǒng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件為冷彎薄壁型鋼龍骨,主要包含U形、C形等截面形式.

國內(nèi)外許多學(xué)者對簡單的U形和C形截面形式構(gòu)件的承載力計(jì)算方法及屈曲機(jī)理開展了深入研究.文獻(xiàn)[1-6]對C形截面構(gòu)件的各類屈曲行為進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,得到了較為全面的冷彎薄壁型鋼C形截面構(gòu)件的破壞機(jī)理和破壞特征;文獻(xiàn)[7-9]提出了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件畸變屈曲承載力計(jì)算公式,建立了完善的有效強(qiáng)度法;文獻(xiàn)[10-12]對冷彎薄壁型鋼U形截面柱直接強(qiáng)度法的適用性進(jìn)行了研究,對現(xiàn)有直接強(qiáng)度法公式進(jìn)行了修正;文獻(xiàn)[13-16]分析了冷彎薄壁型鋼C形截面構(gòu)件受壓和受彎的屈曲后性能以及板組屈曲的相關(guān)作用;文獻(xiàn)[17]針對加勁冷彎薄壁型鋼槽形截面的非線性畸變屈曲運(yùn)用能量法進(jìn)行了推導(dǎo)分析,提出了適用于畸變屈曲構(gòu)件的有效寬度法.然而,簡單的U形、C形截面形式構(gòu)件普遍存在承載能力低、易發(fā)生畸變屈曲等問題,使其在實(shí)際運(yùn)用中均存在一定的局限性.

本文提出了一種冷彎薄壁型鋼灌漿墻結(jié)構(gòu)體系,對其基本構(gòu)件——豎龍骨、立柱龍骨在豎向荷載作用下的屈曲模式及承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行了精細(xì)化有限元模擬.結(jié)合試驗(yàn)及有限元結(jié)果,分析了國內(nèi)現(xiàn)行冷彎薄壁型鋼規(guī)范計(jì)算方法的局限性,并對其進(jìn)行修正.

1 新型冷彎薄壁型鋼組合龍骨及灌漿墻體

對傳統(tǒng)的冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行改良,優(yōu)化了龍骨形式.豎龍骨和立柱均采用組合截面形式龍骨,通過自攻螺釘將連接件和分肢龍骨連接為整體(見圖1).

(a) 豎龍骨

豎龍骨為雙肢構(gòu)件,分肢截面形式為帽形,連接件為矩形鋼管;立柱為四肢構(gòu)件,分肢截面形式為W形,連接件為方鋼管.帽形與W形組合龍骨的承載能力強(qiáng)于普通的C形、U形構(gòu)件,且便于設(shè)置連接件,形成格構(gòu)式構(gòu)件,連接件的間距可根據(jù)外側(cè)板材的尺寸自由調(diào)整.此外,在豎龍骨中間插入Z形斜撐,通過自攻螺釘與豎龍骨及立柱連接.墻體內(nèi)還設(shè)置2道橫撐,連接立柱、豎龍骨及斜撐龍骨,約束龍骨變形,提高結(jié)構(gòu)整體性.豎龍骨、立柱、斜撐、橫撐以及上下U形導(dǎo)梁共同組成鋼骨架(見圖2).

圖2 墻體鋼骨架構(gòu)造

在鋼骨架一側(cè)安裝陶土板，另一側(cè)安裝硅酸鈣板，形成空腔.空腔內(nèi)澆筑聚苯顆?；炷?，與鋼骨架共同組成新型冷彎薄壁型鋼灌漿墻體.

2 試驗(yàn)

2.1 試件制作

根據(jù)實(shí)際灌漿墻結(jié)構(gòu)的龍骨尺寸,設(shè)計(jì)制作了3個豎龍骨試件(編號為SLG1～SLG3)和3個立柱試件(編號為LZ1～LZ3),進(jìn)行平行試驗(yàn).試件長度均為3 040 mm.試件的詳細(xì)構(gòu)造及橫截面形式見圖3.

(a) 豎龍骨

2.2 加載設(shè)備與加載制度

采用單調(diào)加載方式對試件施加軸向荷載.試件下端采用單向刀鉸支座,以控制構(gòu)件的轉(zhuǎn)動方向;上端由30 t量程的液壓千斤頂加載,千斤頂自帶半球形鉸支座.本次加載由應(yīng)變式傳感器進(jìn)行荷載控制.試驗(yàn)裝置見圖4.

圖4 豎向加載裝置

2.3 測點(diǎn)布置

每個試件上布置10個應(yīng)變片,編號為S1～S10，反對稱布置于試件各截面上(見圖5).每個試件上布置3個位移計(jì),編號為D1～D3.其中，D2和D3按對角線布置于試件頂部,可同時測量試件的豎向變形和轉(zhuǎn)角.

(a) 豎龍骨

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞特征

試驗(yàn)照片見圖6.由圖6(a)～(f)可以看出,試件SLG1～SLG3的破壞現(xiàn)象類似,均發(fā)生畸變屈曲,且分別在不同連接件處發(fā)生彎折.稍有不同的是,試件SLG2底端出現(xiàn)局部屈曲,而試件SLG3存在輕微的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象.

試件LZ1～LZ3在加載過程中均始終保持挺直.由圖6(g)～(l)可以看出,加載后期北側(cè)W形龍骨出現(xiàn)了不同程度的內(nèi)凹、外凸現(xiàn)象,從而引起整個試件的彎折破壞.

(a) SLG1整體彎折

(d) SLG2局部屈曲

(g) LZ1分肢內(nèi)凹

(j) LZ2畸變屈曲

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

圖7(a)和(b)為試件SLG2的荷載-應(yīng)變曲線.由圖可知,試件南北兩側(cè)的應(yīng)變均呈現(xiàn)一側(cè)大、另一側(cè)小的規(guī)律,表明試件發(fā)生了彎曲破壞.同一側(cè)各應(yīng)變變化規(guī)律基本一致,均隨著荷載的增大而增大,說明試件受力比較均勻.頂部和底部應(yīng)變略大,表明豎龍骨的端部承受更大的荷載.試件SLG1和SLG3的荷載-應(yīng)變變化規(guī)律與試件SLG2類似.

試件LZ2的荷載-應(yīng)變曲線見圖7(c)和(d).

(a) 試件SLG2南側(cè)

(b) 試件SLG2北側(cè)

(c) 試件LZ2南側(cè)

(d) 試件LZ2北側(cè)

由圖可知,最后一級加載前,應(yīng)變均隨著荷載的增大而增大,截面南北兩側(cè)的應(yīng)變值差異不大,表明立柱軸向受力均勻,彎曲現(xiàn)象不明顯.達(dá)到荷載極限時,試件多部位已進(jìn)入塑性狀態(tài),且塑性階段較短. 與豎龍骨類似,立柱的端部受力略大于其他部位.試件LZ1和LZ3的荷載-應(yīng)變變化規(guī)律與試件LZ2類似.

3.3 極限承載力與破壞模式

各試件的極限承載力Put和破壞模式見表1.由表可知,試件SLG1～SLG3的極限承載力均值約為28.33 kN，試件LZ1～LZ3的極限承載力均值約為127 kN.試件SLG1和SLG3發(fā)生了整體彎曲屈曲破壞,試件SLG2因某肢帽形龍骨的畸變屈曲而發(fā)生整體彎扭屈曲破壞.試件破壞均伴隨有畸變屈曲,破壞位置存在一定的離散性(見表1).加載過程中,立柱先在中部或中下部位發(fā)生畸變屈曲,進(jìn)而發(fā)生整體彎折破壞.

表1 各試件的極限承載力與破壞模式統(tǒng)計(jì)

各試件的荷載-位移曲線見圖8.由圖可知,頂部豎向位移約為4 mm時,立柱和豎龍骨的荷載分別約為108和25 kN,立柱的軸壓承載力約為豎龍骨的4.5倍,剛度約為豎龍骨的4.3倍.立柱為輕鋼灌漿墻結(jié)構(gòu)的主要承壓構(gòu)件,豎龍骨柔度大、承載力低,不適宜單獨(dú)作為豎向受力構(gòu)件.通過與C形及U形構(gòu)件軸壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)[10-15]對比發(fā)現(xiàn),采用帽形和W形截面的龍骨具有更高的極限承載力.

4 承載力分析與比較

4.1 分析方法

采用2種不同的分析方法對軸壓下的豎龍骨、立柱試件極限承載力進(jìn)行計(jì)算.

首先，采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算試件極限承載力.試件采用S4R殼單元,上下墊板采用C3D8R實(shí)體單元.考慮材料的幾何非線性,對所有構(gòu)件均采用理想彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬.由于制作誤差、材料缺陷等因素的影響,試件存在初偏心,因此有限元模擬時先對豎龍骨和立柱進(jìn)行特征值分析.根據(jù)屈曲模態(tài)分析結(jié)果和試件破壞現(xiàn)象選取相應(yīng)的模態(tài),施加的整體初始缺陷幅值為l/750,其中l(wèi)為試件長度;施加的局部初始缺陷幅值等于翼緣寬度.特征值分析完成后,對試件進(jìn)行正式的屈曲分析,分析時考慮試件的結(jié)構(gòu)非線性,采用弧長法進(jìn)行計(jì)算.試驗(yàn)時,試件上部為半球鉸支座,下部為單刀口鉸支座.根據(jù)支座特點(diǎn),對試件的邊界條件進(jìn)行定義.豎龍骨及立柱有限元模擬結(jié)果見圖9.

(a) 豎龍骨荷載-中部橫向位移

(b) 豎龍骨荷載-頂部豎向位移

(c) 立柱荷載-中部橫向位移

(d) 立柱荷載-頂部豎向位移

(a) 豎龍骨

然后，參考《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 50018—2002)[18]中的相關(guān)計(jì)算方法,確定豎龍骨和立柱的有效截面面積,計(jì)算豎龍骨及立柱的軸壓承載力.將豎龍骨和立柱看作格構(gòu)柱，計(jì)算得到其最大長細(xì)比分別為141.11和71.58,穩(wěn)定系數(shù)分別為0.274和0.733.豎龍骨的有效截面面積與毛截面面積相等,均為292.00 mm2；立柱的有效截面面積為452.00 mm2,小于其毛截面面積736.44 mm2.結(jié)合前期材性試驗(yàn)結(jié)果,最終計(jì)算得到豎龍骨和立柱承載力分別為24.25和92.70 kN.

4.2 結(jié)果比較

荷載-位移曲線的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖8.由圖8(a)和(c)可以看出,試件中部橫向位移的試驗(yàn)值與模擬值吻合較好,模擬值介于3組試件試驗(yàn)值之間.對比圖8(b)和(d)可以看出, 在相同荷載下,頂部豎向位移模擬值小于試驗(yàn)值，說明豎向剛度模擬值較試驗(yàn)值偏大.究其原因?yàn)橛邢拊M時,在自攻螺釘連接部位采用綁定約束模擬,忽略了自攻螺釘實(shí)際的轉(zhuǎn)動和滑移以及構(gòu)件接觸面的脫離,導(dǎo)致試件剛度偏大.

分別采用有限元模型和規(guī)范[18]中的計(jì)算方法求得各試件的極限承載力Puf和Pu，并與試驗(yàn)結(jié)果極限承載力Put進(jìn)行對比，結(jié)果見表2.由表可知，各試件的極限承載力模擬值與試驗(yàn)值較為接近,最大誤差不超過12%，從而驗(yàn)證了有限元模型的正確性.模擬值稍高于試驗(yàn)值，這是因?yàn)榻r對自攻螺釘連接強(qiáng)度模擬不夠精確,忽視了螺釘?shù)募羟泻突片F(xiàn)象,且對試件施加的初始缺陷難以與實(shí)際情況完全一致.根據(jù)規(guī)范[18]中計(jì)算方法得到的極限承載力計(jì)算值較試驗(yàn)值和模擬值偏低,尤其是對于立柱，其極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值、模擬值相差均超過25%,計(jì)算結(jié)果較為保守,因此需要對規(guī)范[18]提出的計(jì)算方法進(jìn)行修正.

表2 極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較

4.3 計(jì)算方法修正

采用規(guī)范[18]中計(jì)算方法結(jié)果偏低的原因可能是由于實(shí)際的豎龍骨和立柱分肢龍骨并非通長設(shè)置,其上下端部的連接件僅連接部分分肢龍骨.端部連接件慣性矩和剛度與分肢龍骨相比較大,計(jì)算過程中將構(gòu)件簡化為格構(gòu)式柱弱化了端部的約束效果.因此,本文對試件的長細(xì)比λ進(jìn)行修正.分肢龍骨的實(shí)際長度與構(gòu)件總長度比值為

修正后的長細(xì)比為

λ′=ηλ=0.89λ

按照規(guī)范[18]中的板件定義方式和有效寬厚比計(jì)算方法得到的立柱有效截面面積遠(yuǎn)小于毛截面面積.究其原因在于，進(jìn)行立柱有效截面面積計(jì)算時，將20 mm寬的板件B1、B4全部劃分為卷邊(見圖10(a)).實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn),其高厚比遠(yuǎn)大于規(guī)范[18]中卷邊的最小高厚比限制6.4和6.2,導(dǎo)致整體截面面積計(jì)算結(jié)果較為保守.為保證最小卷邊寬度，將同一板件劃分為2種類型，對立柱的有效截面面積進(jìn)行修正.重新劃分板件B1和B4,增加板件B5和B6(見圖10(b))，其寬度按照規(guī)范[18]要求的最小卷邊長度確定, 計(jì)算時將板件B1和B4看作部分加勁板件.修正后豎龍骨和立柱的計(jì)算結(jié)果見表3.表中，Pus為修正后的試件極限承載力規(guī)范計(jì)算值.

(a) 修正前

表3 修正后豎龍骨和立柱的計(jì)算結(jié)果比較

由表3可知,采用修正計(jì)算方法得到的試件軸壓承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值、模擬值接近.豎龍骨的計(jì)算值略高于試驗(yàn)值和模擬值,最大誤差不超過6%.立柱計(jì)算值和試驗(yàn)值基本吻合,相較于有限元模擬值低13%,因此采用該方法計(jì)算豎龍骨和立柱的軸壓承載力是安全可靠的.

墻體外掛板通過一種可調(diào)式定位部件連接到結(jié)構(gòu)主體,在結(jié)構(gòu)主體受力時外掛板可隨可調(diào)式定位部件運(yùn)動,故外掛板幾乎不承擔(dān)豎向荷載.輕鋼灌漿墻體的主要豎向承載力由鋼龍骨、聚苯顆粒泡沫混凝土承擔(dān).

5 結(jié)論

1)豎龍骨的破壞模式為整體屈曲破壞,具體表現(xiàn)為彎曲屈曲,同時伴隨有畸變屈曲.立柱的破壞模式為先發(fā)生畸變屈曲,隨后試件整體屈曲破壞.立柱受壓承載力較高,在結(jié)構(gòu)體系中作為主要的承力構(gòu)件;而豎龍骨由于柔度大,承載力較低,不適合單獨(dú)作為受壓構(gòu)件.

2)利用有限元軟件ABAQUS對豎龍骨、立柱分別進(jìn)行了數(shù)值模擬.模擬得到的極限荷載及破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說明ABAQUS軟件可以較為準(zhǔn)確地模擬冷彎薄壁型鋼多肢組合截面龍骨的受壓破壞模式和極限承載力.

3)采用我國現(xiàn)行規(guī)范中的計(jì)算方法對豎龍骨和立柱2種多肢組合截面龍骨的軸壓承載力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值相比過于保守.鑒于組合截面龍骨構(gòu)造的特殊性,本文對試件長細(xì)比與有效截面面積的計(jì)算方法進(jìn)行了修正.修正后的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及有限元模擬結(jié)果吻合較好,計(jì)算結(jié)果偏于安全.