冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗(yàn)研究

江 舟

（山東省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

在我國工業(yè)生產(chǎn)制造工藝不斷創(chuàng)新的社會(huì)發(fā)展背景下，冷彎型鋼板及其相關(guān)衍生材料開始在鋼架生產(chǎn)鏈中廣泛使用，盡管此種結(jié)構(gòu)的鋼板在應(yīng)用后取得了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，但相比常規(guī)的鋼材料制品，其中綜合性能仍略顯不足。綜合冷彎型鋼材料的性能分析可知，此種材料具有強(qiáng)度高、脆性大、延展能力弱等特點(diǎn)，根據(jù)市場內(nèi)冷彎型鋼的現(xiàn)有應(yīng)用可知，大部分鋼板構(gòu)件呈現(xiàn)一種開口狀，包括“帽”形、“Z”形、“凹槽”形等。此種類型的界面扭曲剛度相對(duì)較小，負(fù)載能力相對(duì)較差，一旦受到外界環(huán)境對(duì)其的擠壓，結(jié)構(gòu)整體極易發(fā)生變形[1]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)選擇在構(gòu)件的截面集成一個(gè)合箱形構(gòu)件，用于提高冷彎型鋼構(gòu)件的整體剛度，以此種方式達(dá)到一種提升鋼材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)承載能力的作用。盡管已有較多的研究者提出，在冷彎型鋼材料上集成合箱構(gòu)件具有一定實(shí)用性，但并未有研究者對(duì)冷彎型鋼在受力狀態(tài)下的極限負(fù)載能力進(jìn)行分析。因此，仍無法使用承載力性能進(jìn)行冷彎型鋼構(gòu)件性能的描述，但要滿足工業(yè)生產(chǎn)與制造需求，還需要相關(guān)技術(shù)人員深入到與此方面相關(guān)的設(shè)計(jì)研究中，通過多次試驗(yàn)，進(jìn)行冷彎型鋼極限承載力的分析，以此實(shí)現(xiàn)冷彎型鋼構(gòu)件在我國金屬建材市場內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用。

1 試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象材料

為了確保此次試驗(yàn)可滿足對(duì)冷彎型鋼壓彎極限承載力的檢測需求，選擇5塊冷彎型鋼板構(gòu)件作為試驗(yàn)對(duì)象，鋼板的平均厚度為10.0mm±0.05mm，構(gòu)件的設(shè)計(jì)長度為3.0m±0.10m，其長細(xì)比值為80.0的構(gòu)件有3.0個(gè)，剩余2.0個(gè)構(gòu)件的長細(xì)比值為60.0。在完成試驗(yàn)所需構(gòu)件的制備后，為了排除或降低冷彎型鋼構(gòu)件局部屈曲對(duì)試驗(yàn)過程的干擾與影響，需要對(duì)構(gòu)件的截面寬厚比進(jìn)行重構(gòu)與設(shè)定，按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及其試驗(yàn)過程中構(gòu)件的穩(wěn)定性要求，需要設(shè)置冷彎型鋼構(gòu)件截面的寬厚比值在8.0～18.0之間[2]。為了便于后期對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件的識(shí)別，可將參與此次試驗(yàn)的構(gòu)件標(biāo)記為B-1～B-5，同時(shí)，在構(gòu)件原有的測試長度兩端增加一段緩沖長度，長度控制在500.0mm范圍內(nèi)，以此種方式避免試驗(yàn)過程中的邊緣效應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)構(gòu)件處理

在完成試驗(yàn)材料的選擇后，將冷彎型鋼采用火焰切割工藝，對(duì)其進(jìn)行熱處理，在此基礎(chǔ)上，為其匹配一個(gè)相等強(qiáng)度的Q460焊絲，將其與試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行焊接。焊接過程中，采用氣體保護(hù)裝置，按照手工焊接的方式，對(duì)其進(jìn)行加工處理[3]。構(gòu)件兩端增加的500.0mm長度材料需要全熔透焊接，中間部位需要采用半熔透或部分熔透焊接形成。在此過程中，構(gòu)件的中間部位的焊縫坡口需要控制其深度在11.0mm范圍內(nèi)。為了確保對(duì)構(gòu)件熱處理的有效性，需要對(duì)焊接處理過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。相關(guān)內(nèi)容如下表1所示。

表1 冷彎型鋼試驗(yàn)構(gòu)件焊接處理技術(shù)要求

按照設(shè)定的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行焊接處理，在此過程中需要對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化處理，以此降低或避免試驗(yàn)構(gòu)件受到初始化撓度的影響發(fā)生形變。在完成上述相關(guān)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)冷彎型鋼構(gòu)件兩端500.0mm長度進(jìn)行火焰校正，確保兩端呈現(xiàn)一種相互平行的狀態(tài)。以此完成冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作。

1.3 極限承載力試驗(yàn)方案

在完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，將制備的5.0根試驗(yàn)構(gòu)件放置在液壓處理設(shè)備上，此設(shè)備的液壓最高作用力為1.0×104kN，將冷彎型鋼試驗(yàn)構(gòu)件的上下兩端與設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，并使用半圓柱形狀的鉸接式支座作為支撐結(jié)構(gòu)。

此次試驗(yàn)的加載過程采用等速與等位移切換模式進(jìn)行控制，在預(yù)加載處理過程中，80.0%的極限承載力采用等速增量控制方式，為了避免在對(duì)其施加作用力時(shí)試驗(yàn)構(gòu)件出現(xiàn)突發(fā)性彎曲現(xiàn)象，需要將實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)放置在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的區(qū)域，確保液壓速度保持勻速后，在荷載達(dá)到極限承載力的80.0%時(shí)，將液壓設(shè)備調(diào)整到等速增量控制階段[4]。試驗(yàn)過程中，當(dāng)檢測到構(gòu)件的承載力呈現(xiàn)急劇下降趨勢，或達(dá)到實(shí)測承載力的60.0%時(shí)，停止液壓設(shè)備的下壓行為，并認(rèn)為在此種情況下，試驗(yàn)構(gòu)件已發(fā)生破壞，不具備承載能力，停止設(shè)備對(duì)其的加載處理并將液壓設(shè)備進(jìn)行歸零處理。

為了確保對(duì)試驗(yàn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性，在冷彎型鋼試驗(yàn)構(gòu)件長度1/2位置處，安裝至少10.0個(gè)應(yīng)變片，通過應(yīng)變片的形變，監(jiān)測構(gòu)件的應(yīng)變狀態(tài)[5]。同時(shí)，在液壓設(shè)備及其支撐結(jié)構(gòu)與底座上，需要布設(shè)至少15.0個(gè)位移針，用于監(jiān)測構(gòu)件的軸向變形方向與發(fā)生彎曲形變后的撓度，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方式可參照?qǐng)D1。

圖1 冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

按照上述圖1所示的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)環(huán)境的布置，并在完成與此相關(guān)的研究后，按照上文提出的操作流程，對(duì)制備的5.0個(gè)試驗(yàn)構(gòu)件執(zhí)行此次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在完成此次試驗(yàn)后，收集應(yīng)變片的傳感器得到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，并將此數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)結(jié)果。繪制冷彎型鋼構(gòu)件在持續(xù)受力作用下的應(yīng)力變化曲線。如下圖2所示。

綜合上述圖2所示的應(yīng)力變化曲線可知，冷彎型鋼構(gòu)件的持續(xù)受力達(dá)到2500.0MPa時(shí)，構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力形變，在持續(xù)受力一段時(shí)間時(shí)，構(gòu)件應(yīng)變位移的變化較為均勻，位移長度從0.03增加到0.95。當(dāng)施加的作用力持續(xù)增加時(shí)，構(gòu)件發(fā)生斷裂，此時(shí)構(gòu)件的壓彎承載力急劇下降，應(yīng)變位移的變化較為緩慢，證明在此種受力情況下的構(gòu)件已不具備承載力，但整體結(jié)構(gòu)并未失穩(wěn)。由此可以得出此次試驗(yàn)的最終結(jié)論：冷彎型鋼構(gòu)件的極限承載力為2300.0MPa，在超出其極限承載力后，構(gòu)件存在斷裂趨勢，但整體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，證明構(gòu)件的延展性相對(duì)較高。

圖2 冷彎型鋼構(gòu)件在持續(xù)受力作用下的應(yīng)力變化曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

在完成冷彎型鋼構(gòu)件在持續(xù)受力作用下應(yīng)力變化的綜合分析后可知，此種材料制作的構(gòu)件可承載的負(fù)荷作用力相對(duì)較高，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。在此基礎(chǔ)上，可通過聯(lián)合構(gòu)件的方式，進(jìn)行疊加構(gòu)件極限承載力的試驗(yàn)分析，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，疊加后的構(gòu)件整體承載力呈現(xiàn)一種上升趨勢，根據(jù)偏心受壓理論，對(duì)其疊加后的冷彎型鋼構(gòu)件進(jìn)行疊加承載力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)的極限承載力大約提升20.0%。

4 結(jié)語

本文開展了冷彎型鋼壓彎極限承載力的試驗(yàn)研究，通過此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，冷彎型鋼構(gòu)件的極限承載力為2300.0MPa，在超出其極限承載力后，構(gòu)件存在斷裂趨勢，但整體結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯的失穩(wěn)現(xiàn)象，證明構(gòu)件的延展性相對(duì)較高。因此，可以認(rèn)為冷彎型鋼材料符合常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)與制造需求，可廣泛應(yīng)用到市場。但此次試驗(yàn)研究僅從結(jié)構(gòu)的應(yīng)變角度進(jìn)行了分析，并未對(duì)構(gòu)件的撓度展開進(jìn)一步計(jì)算，為了掌握冷彎型鋼材料的更多性能，仍需要經(jīng)過后續(xù)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。