G550级高强薄板钢材的材性及应用

第卷第期 年月 建筑科学与工程学报 文章编号 一 一一 级高强薄板钢材的材性及应用 周天华 , 周绪红 , 何保康 , 刘永健 “ , 卢林枫 , , 王彦敏 长安大学 建筑工程学院 , 陕西西安西安建筑科技大学土木工程学院 , 陕西西安 长安大学公路学院 , 陕西 西安博思格建筑系统 , 上海 摘要近年齐 , 壁厚不大 于 、 屈服强度达 “ 的高强冷 弯薄壁型钢已在国外实际工程 中开始 应用 。 为了促进高强冷 弯薄壁型钢结构在 中国的推 广应用 , 验证 高强钢材对中国冷 弯薄壁 型钢结构技术规范相关设计规定 的适应性 , 本项目开展了级冷弯薄壁型钢的材性和轴 压构 件 受力性能时系列试验研究 , 以期提出适用 。级钢材构件的设计计算建议 。 首先时 为 , , 种厚度级冷札镀层薄板进行了材性试验研究 , 考察和 分析了其材 性 特征 , 讨论了在中国推广和应用高强冷 弯薄壁型钢时可能存在的主要问题及相应对策 。 材性试验 结果可用于构件的试验研究和分析 。 关键词高强冷弯薄壁型钢材性 试验研究应用 中图分类号文献标识码 入 一 一 一人,一人 , 一,一 , 一 , 一 , , , , , , , , , , 一 一一 一, , , 一,一 已 , 犷 一 灯 一 引言 随着新型轻型钢结构体系应用 的迅 速发 展 , 近 年来冷弯薄壁型钢构件开始出现 向高强 、 超薄发展 的趋势 , 使冷弯薄壁型钢结 构 变 的更加轻质 、 高效 。 目前 , 壁 厚 小于 、 屈 服 强度达的高强 冷弯薄壁型钢构件已在 国外实际工程中开始应用 , 并在其相关规 范 中给 出了高强钢材的相应设计规 定 仁,一 。 在 中国 , 上 海宝钢等钢铁公司也 开始研发 级高强钢材 。 这种高强度钢材与普通低强度 钢材如 , 等相比 , 其显著特点是 材料强 度 高 、 塑性差 , 在屈服后几乎没有应力强化阶段 , 这 收稿日期 一一 作者简介周天华 一 , 男 , 陕西西乡人 , 长安大学副教授 , 博士 , 从事轻型钢结构 、组合结构理论与工程应用研究 一 建筑科学与工程学报年 些材性方面的差异 , 使得中国现行标准冷弯薄壁型 钢结构技术规范 一 川原来按普通钢 材确定的有关压杆稳定性 、 板 件截面有效宽度等方 面的设计规定将不再直接适用 。 本文将对适用 于冷 弯薄壁型钢的级镀 层薄板进 行 材性 试 验研 究 , 以考察其受力特性 , 并 为级高强冷弯薄壁 型钢轴压短柱 、 长柱和型截面构件的试验研究 和 分析提供材性指标 。 材性试件 试件材料为澳大 利 亚产级冷轧镀锌镀 铝锌薄钢板材 , 单面镀层厚度约一 拼 , 基材公 称厚度 一 , 种 , 同一种 厚度 的试件取之于一批 钢板 , 试件取样平行轧制方 向 。 按 中国金 属材料 一室 温 拉伸试验 方法 一 圈推 荐 的薄板 试 件 试样及尺寸 , 取 标距 。一 丫瓦 、 宽度 , 每种厚 度制作试件 数 量各个 , 板状试件试样尺寸和分组分别如图和 表所示 。 约左右 , 而且板材越薄脆性越大 , 所有 试件在 破坏前均无 明显 “ 颈缩 ”现象 , 且有效破坏试件的断 口均呈现约 “方 向剪切 型 , 其典型破坏形式如图 所示 。 司 吮 回 , 图板状试件试样及尺寸单位 二 】 蓝 由 ”, 表试件分组及公称尺寸 加 且如 仙 试试件分组组数量量基材厚 。 镀层厚厚 试验过程及破坏特征 试验设备为微 机控制电子万 能试验机 , 如图所示 。 试验中所有试件根据金 属材料 一室温 拉伸试验方法 一 规定的实验方 法 进行拉伸测试 , 加载速率约 为 一 , 采 用 引伸仪测量应变 , 微 机全程自动控制加载和记录 数据 。 试验时未考虑镀 锌层及镀铝锌层 的作用 , 各 试件的截面积取基材厚度与实测宽度计算 。 试验中 发现 , 板材 的塑性变形能力较差 , 最大伸长率占只有 主要试验结果及处理 试验后剔 除断口发生在标距线以外的无效试 件 , 对有效试件的测试数据进行处理 。 以试验 的极 限拉力 。 除以试件截面 的实 际面积 。 确定抗 拉 强度人 测量拉断后 试件标距线 的塑性变形 量 以确定塑性伸长率占采用 软件的数据处理功 能作出应力 一 应变 二 曲线 , 取各曲线的弹性直线 段斜率为弹性模量 , 并以弹性直线段 的平行线确 定各试件的非比例延伸强度 , 如 图所示 , 定义 为材料的屈 服强度九 。 按 照上 述 方 法 , 对各有 效试件的主要试验结果 的有效数据求平均值叉 , 并 给 出了几和的 标准差 , 及 变 异 系 数 。, 最 后 结果见表 。 各种厚度试件 的典型拉伸应力 一 应 变 。 曲线如图所示 。 主要试验结果分析 从表主要试验结果 和 图的典型应 力 一应变 。 曲线可以知道 , 所有试件 按非比例延伸强 度 确定的屈服强度几均远大于级钢材 的标 准值 , 材料的试验强 屈比人九均 小于 , 从设计 角 度讲 , 如 果取其标准值定 义屈服强度 九 与试验抗拉强 度比 , 则强屈比约 为 。 第期周天华 , 等级高强薄板钢材的材性及应用 表主 要试验 结果 平 均值 试试 件件有效试件件抗拉强度度屈服强度度弹性模量量 占 了 。 人人 数数数 一 个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个个 。 标准差 。 变异系数 厂火 几 标准 差 。 变异系数 卜 注注 , 魂 受力性能的系列试验研究 时 , 建议按表中的 主要 材性指标对试验结果进行分析 。 表试验分析 时建议取值 。 乃 川 山荟、 勺 少认 力 、 认变 , 曲线 厚厚 度届 服 强度 了 弹性模量 魂丫 , 丫 又 ,一 出 芝 、 汉 应力 一 友变 , 曲线 州 山国、 勺 口琏侧巧川阳硬刀刀力刀 右 。 叔力少旋变 , 曲线 口 芝 、 匕 以 州摊洲时川阳 。应力 应 变 。 曲线 图 典型应 力 一应 变 , 。 曲线 , 巧 一 , 应 力 一 应变 。 曲线几乎 无应 力 强 化阶段 , 断裂伸 长率占为一 , 材 料 的塑性 变形能力 较差 , 且板材越薄 , 其脆性倾向越 大 , 尤 其是当厚度 小于时 , 材料 的脆性增大强度 的离散性也 很大 一 。 根据仁述试 验 结果在进行 与材性 试验 同批 次材料 的级高强薄板 冷 弯型钢轴压构件 对于高强薄板钢材的这些特性 , 当用于冷弯型 钢结构时将产生诸多传统低强度钢材冷弯型钢结构 所没有的问题由于高强薄板钢材在达到屈服后 几乎无应 力强化 , 导致其屈服后的刚度和强度储 备 等明显低于传统低强度钢材 , 使得在 弹塑性 工作 阶 段构件的稳定性和安全性等也将低于传统低强度钢 材由于应 力强化很小 , 应变硬化的程度也很低 , 故高强薄板钢材冷弯型钢 的冷弯效应也 很小 , 儿乎 可以忽略不计 由于 塑性变形 能力较差 , 为保证 结构有足够的变形能力以满足设计要求 , 不能依靠 构件 自身的变形 , 而必须采取其 他有效措施使结构 获得变形能力此外 , 高强薄板冷弯型钢 的成型工艺 要求较传统低强度钢材高 。 高强薄板冷弯型钢应 用研究讨论 在中国应用高强薄板冷弯型钢存在的问题 中国现行冷 弯 薄壁型钢 结 构技 术 规 范 一 对材料 的选用及其相应的设计规定 , 依 据 中国具体国情 , 主要 是根据对和等低 强度钢材特性研究 的基础上制定的 , 根据以上分析 , 对类似于 。级 这样 的高强薄板钢材 , 显然 不能 直接适用 。 为 一了尽快 在 中 国安全 、 合理地推广应用 类似于级高强冷 弯薄壁型钢结构 , 结合 中国 现行规范 一 的设计 方法和相关规定 , 对无强化阶段 的高强冷弯薄壁型钢 , 尚须解决以下 几个主要问题确定适合 中国规范的抗力分项系 数 、 和材料的强度设计 指标确定压杆 的稳定 系数确定构件截面受压板件的有效宽厚比 建筑科学与工程学报年 确定高强冷弯薄壁型钢开 口截面杆件 的畸变屈曲的 计算问题等 。 存在问题 的对策 对于抗力分项 系数和材料 的强度设计指 标 , 须按中国建筑结 构可靠度设 计 统一标 准 一 的有关 规 定 , 根 据 一 定 的可靠指 标 , 对 大量测试样本 需有足够大 的样本空间 , 如材性试件 取样 的原材料批次数 量等 结果进行 概率统计和回 归分析确定 , 这一 工作可在借鉴国外已有研究和经 验 的基础上 , 结合中国具体国情 补 充一定量的试验 数据即可进行 。 对于压杆 的稳定性计算 、 构件截面受压板件 的有效宽厚比确定等问题 , 可 通过一定数量 的高强 冷弯薄壁型钢短柱和长柱试 验 , 分析比较试验结 果 和按 中国现行冷 弯 薄壁型钢 结 构 技 术 规 范 一 对传统 低强度 钢 材规 定 方法 的计算结 果 , 找 出二者间差距并进行修正 , 以通过修正现有规 范方法 , 达到满足利用现有规 范进行高强冷弯薄壁 型钢设计计算的要求 。 高强冷弯薄壁型钢开口截面受压杆件 的畸 变屈曲问题较普通 低强钢材显得更 为突出 , 由于研 究不足中国现行规范 一 尚未直接涉及 到相关 内容 , 这也正是 中国规 范 尚待补 充和完善之 处针对这 一问题 , 可在借鉴 国外已有 研 究 的基 础 上 , 补充一定数量 的高强冷弯薄壁型钢 畸变屈曲的 试验研究 , 提 出适合中国规范 的计算方法 。 由于高强冷 弯薄壁型钢构 件的塑性变形 能 力较差 , 只能依靠结 构 节点 连接 的变形能力来保证 结构有足够 的变形 能力以满足设计要求由于高强 冷弯薄壁型钢构件 的壁厚 很小 , 故结构的节点连接 只能采用焊接以外 的方 法 , 如 自攻螺钉或螺栓连接 等 , 因此 , 提 出适合高强冷弯型钢构件 的连接构造十 分必要 , 如通过杆端的半 刚性连接 获得一定 的转 动能力来满足结构对 变形 的要求 , 这些 思路已在国 外的工程实践 中得到证实 , 是可行的 。 鉴于上述原因 , 本 项目将 对级冷弯薄壁 型钢 闭口截面短柱 、 长柱和开 口 型截面构件等 , 开展轴压构件受力性能 的系列试验研究 , 并结合 中 国现行规范 一 的相关规定 , 以期 提出 适用于级 冷弯 薄壁型钢 构 件 的设计 计 算建 议 , 其具体研究 内容将另文专题介绍 。 结语 本文首先按照中 国现行金 属材料室 温拉伸试 验方法 一, 对 厚 度 , , 种规格 的级冷轧镀锌 镀铝 锌薄钢板材 , 进行了共个材性试件的拉伸试验 , 通过有效试件的试验数据整理 , 得到了各种厚度材 料 的主要材性指标 , 这些材性指标可供同批次材料 构件的试验结果分析时使用 。 结合材性