国产热轧H型钢轴心受压构件极限承载力的试验研究.doc

国产热轧H型钢轴心受压构件极限承载力的试验研究吴迪 郝际平 李峰 丁维（西安建筑科技大学，西建大莱钢钢结构研发中心，西安 710055，山东冶金设计院，山东，250000）摘要：本文对国产热轧H型钢柱进行了6根短柱，18根中长柱的轴心受压试验。根据试验数据，论文将轴心受压柱极限承载力试验值与GBJ17-88规范值做一比较，并分析其原因。关键词： 国产轧制H型钢, 轴心受压柱，极限承载力，试验Study on the Ultimate Strength Capability for Axial Compressed Rolled H-shape Columns test Wu Di,Hao Jiping,li feng, Ding Wei(Xian University of Archi&Tech ，XJDLG Center of Research and Development， Xian 710055，ShanDong Metallurgy Design Institute, JiNan, 250000)ABSTRACT： This dissertation describes a study on the ultimate strength of national rolled H-shape columns test under compressive loading. Through the total of 24 members test, which contain 6 stub column and 18 mid-length column, this paper make ultimate strength test value contrasted with one of GBJ17-88 norm.KEY WORDS： national H-rolled steel, axial compress columns, ultimate strength, test随着我国经济的快速发展，钢结构的应用愈来愈广泛，但规范对热轧h型钢轴心受压柱的极限承载力计算公式却主要依据国外资料，国内尚缺乏系统的试验研究，因此开展系统全面的对国产H型钢的研究不仅具有理论意义而且具有实用价值。钢结构设计规范GBJ17-88对柱轴心受压极限荷载公式是以焊接工字钢双角钢单角钢热轧工字钢为基础建立的。而热轧H型钢与上述工字钢或角钢相比，由于加工工艺的不同，从截面型式到残余应力的分布都有所不同。所以该公式是否适合热轧H型钢，有必要进行研究论证。本文根据24根国产热轧H型钢轴压柱的试验，与国标规定的公式做以比较。一 试验概况试验首先对4批拉伸试件进行试验。然后对三组6根试件进行了短柱试验。最后通过三组18根中长柱进行轴压试验并与极限强度理论值进行比较。1 拉伸试件的材性试验（Q235钢）拉伸试件是从截面型号为 ， ， 的翼缘和腹板上分别切取，按国家标准热轧H型钢和剖分T型钢GB/T11263-1998确定（图1）。试样尺寸和加工要求按国家标准金属拉伸试验试样GB6397-86规定执行（图2和表1），拉伸试验结果见表2。图1 材性试件取样位置示意图2 材性试件的形状及加工要求注: ,同时 应为5mm的整数倍, , 为b对应的板材厚度,3.2为加工的粗糙度.从上、下翼缘切取的小试件共8个；从腹板切取的小试件共8个；由于截面 是两炉钢材，所以作了两批材性试验。表1材性试验试样(长度:mm)截面规格编号切取部位试样厚度t试样宽度b试件标距长 数量翼缘925851翼缘925851腹板6.525701腹板6.525701第一批翼缘925851翼缘925851腹板625701腹板625701第二批翼缘925851翼缘925851腹板625701腹板625701翼缘825801翼缘825801腹板5.525651腹板5.525651表2 材性试验记录(长度:mm)编号宽度厚度伸长率(Mpa)(Mpa)屈强比E25.138.8731%2964750.6224.978.8528.1%3164750.6725.176.2325%350.94800.7324.986.2330%340.64850.7025.179.5228%2584300.6025.189.5230%2604320.6025.136.7129%2433030.8025.236.5933.16%2453050.8025.079.7835%3264400.7424.949.2234%3174210.7525.595.7233.5%3284130.7925.445.8535%3124200.7425.098.1429%3664900.8125.187.6130.65%3444880.8125.115.0931.12%352.7480.840.6524.815.0729.88%3254890.792 短柱试件试验短柱试件的长度为20倍最小回转半径，2.2倍试件高度，试件包括6个未退火的。试件在试验机上经过物理对中，短柱试件中央截面的应变量测以腹板两面的电阻片为主，而以翼缘四肢尖处的电阻片为辅。表3短柱实验结果表试件编号长度（）截面尺寸面积(2)比例极限 (mpa)屈服点 (mpa)弹性模量E105(mpa) 平均值 平均值 平均值HZY15930.311351303153202.032.030.4HZY1-21253252.03HZY8-16002001506939.76156153. 52402502.02.050.61HZY8-21512602.1HZ5827.57160150.53553452.42.10.43HZY15-21413351.8短柱HZY8-2试验实测 曲线图示例图3 短柱HZY8-2试验实测 曲线图3、轴心受压中长柱试件试验（1）试件和制作试件包括以下三种截面型式试件为三个截面分别为HW125125；HM200150；HN200100；每个截面具有6个长细比分别为 =40，50，60，80，90，95；试验前对试件截面几何尺寸及柱长中点初始挠度进行测量。中长柱试验在长柱机上机进行，柱两端装置球铰支座，试验时量测了柱中点荷载-挠度（P-f）曲线。A: HW125125：914，1202，1519，2140，2450，2602代号分别为HZY1, HZY2, HZY3, HZY4, HZY5, HZY6。B: HM200150： 1076,，1430,1785,2502,2860,3035代号分别为HZY7, HZY8, HZY9, HZY10, HZY11,HZY12。C: HW200100：535，755，975，1418，1640，1745代号分别为HZY13, HZY14, HZY15, HZY16, HZY17, HZY18。注：上面所列长度的单位为mm。试件形状见图4。构件长度大于1米两端加盖板和加劲肋。图4 构件加工图 图5 应变位移计装置位置（2）加载装置试验在200t长柱机上进行，在柱两端装置球铰支座，试验时量测了柱中点的荷载位移曲线，及上下球铰的水平位移。试验加载简图如下，端部采用球铰支座，如图6（a）加载简图（b）中长柱轴心受压试验装置图6 试验装置图试验装置见下图6（a）：柱在支座架上，利用200T长柱试验机加荷，支承于球铰支座上，使柱支座能自由转动。（3）量测项目和量测手段1.位移用10cm量程位移计量测了柱跨中截面腹板和左右翼缘的横向位移。用LZ3-204型模拟式函数记录仪（略称X-Y仪）连续地画出荷载对水平位移的Pu曲线。2.应变：在跨中截面按图5所示贴应变片，用静态电阻应变仪量测。测应变的目的一是判断梁在何种状态（弹性或弹塑性）失稳，二是可以根据应变数值的突然变化判断临界失稳荷载。以上所有位移、应变及荷载数据均通过7VO7数据采集系统自动在计算机上记录（4）试验过程每次试验时，开始分级加荷，每级约为估计极限的10%。在前3级通过中央截面电阻片进行对中，使每一片电阻应变片读数和所有电阻应变片读数（同一截面）的平均值和相差5%以内，两杆端也相差很少。以后，连续加载，以5吨一个等级利用数据采集系统记一次数据。 当钢柱接近临界荷载时，一般从函数记录仪及应变读数变化中都能看到比较明显的迹象，水平位移大幅度增加，柱顶无法稳住自动卸荷。因此，将这一级荷载定位为临界荷载。在整个失稳过程中，应连续采集数据，记录变化，直至屈曲发生。试件失稳后的变形HZY2为例。图7 HZY2 屈曲时的变形图（a）HZY4变形图（b）HZY8变形图（c）HZY9变形图 图8 部分试验构件屈曲时的变形图二 规范计算承载力由规范公式GBJ17-88计算轴心受压构件极限承载力，即： ， ， A取截面面积、 为计算长度, 、 按实测计算， 根据 值查规范， 取 。试件屈服强度试件长度计算长度屈曲模态规范荷载值试验荷载值（规范-试验）/试验 HZ体的极值点失稳859.18 976.68-12.03%HZY232512021372810.12 908-10.78%HZY332515191689746.60 820-8.95%HZY432521402310600.00 721-16.78%HZY532524502620526.10 624-15.69%HZY632526022772491.97 577-14.74%HZY7320107612461115.7 1328.3-16.00%HZY8320143016001049.1 1208-13.15%HZY932017851955970.45 1141-14.95%HZY1032025022672782.31 830-5.74%HZY1125028603030614.08 654-6.10%HZY1225030353205581.26 644-9.74%HZY13347535705831.60 925.21-10.12%HZY14347755925777.65 878.84-11.51%HZY153479751145713.80 799.98-10.77%HZY1634714181588564.69 618-8.63%HZY1734716401810491.30 576-14.70%HZY1834717451915459.04 530-13.39%图9是将GBJ17-88及试验值互相比较的结果（a）125125截面（b）200150截面（c）200100截面图9 GBJ17-88规范值及试验值之比较 三 H型钢轴心受压柱试验结论：1 通过分析比较，材料的屈服强度sy与弹性模量E用的是翼缘与腹板的平均值，轴向残余应力比普通工字钢和焊接H型钢的小，所以试验值比规范GBJ17-88大的多。2 过程中采用物理对中与理想轴心对中也稍有差别，荷载偏心会引起极限荷载的降低，所以可以表明，国产热轧H型钢实际的承载能力要比规范计算的值大的多，规范GBJ17-88对于国产热轧H型钢轴心受压柱的计算显得保守。3 需要通过极限承载力理论对国产热轧H型钢轴心受压柱进行柱子曲线设计，以区别对待国产热轧H型钢和普通工字钢及焊接H型钢，这样更加合理。参考文献