高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析.

1、高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析何保康蒋路刘艳军周天华王彦敏王彦敏为第三作者。第一作者：何保康 男 1936年9月出生 教授E- mail: hebk260163. com收稿日期：2007- 10- 20（西安建筑科技大学西安 710055）（长安大学西安 710061）（博思格建筑 系统住宅部上海 201613）摘 要：采用直接强度法 分析了近期完成的62根550MPa高强冷弯薄壁型钢轴压柱的试验结果 ，提出了 采用折减材料屈服强度为 01 85fy,并根据修正长细比K>= K ,0185fyP235查5冷弯薄壁型钢结构技术规范6 （GB 50018- 2002）中Q23

2、5钢稳定系数表来计算高强冷弯型钢轴压构 件稳定承载力的计算方法。该建议 方法 计算值与试验结果吻合较好且偏于安全。关键词：高强冷弯型钢 压杆试验直接强度法局部屈曲整体屈曲EXPERIMENT OF HIGH STRENGTH COLD FORMED THIN- WALLED STEEL AXIAL COMPRESSEDBY DIRECT STRENGTH METHODZhouTianhua(ChangarUniversity Xi. an 710061)COLUMNS AND ANALYSES OF ITS BEARING CAPACITYHe Baokang JiangLu Liu Yanj

3、un(Xi. an University of Architecture andT echnology Xi. an 710055)Wang Yanmin(BluescopeSteel Building Shanghai 201613)Abstract : The expeimental results of 62 specmenswith 550 MPa high strengthcoldformed thin-wall steel under axial compressionare analyzedby direct strengthmethod ( DSM). The bearingc

4、apacitiesof high strengthcoldformed thin-walled steel columns under axial compressioare calculatedby reducedyield strength 0185f y and revisedslendernessatio Kc= K.0185fy/ 235 for the stability coefficient from the stability coefficient table of Q235 in / Technical Code for Cold Formed Thin Walled S

5、ectionSteelStuctur©( GB 50018- 2002). The calculatedresults by thesuggestednethodare closedwell to the test results.Keywords : coldformed high strength steel columns expeimentdirect strength method local buckling overallbucklingIndustrial Contruction Vol138, Nol8, 2008工业建筑 2008年第38卷第8期73另一问题。高强

6、冷弯型钢构件具有强度高、 截面板件薄等特点。因 此，此类截面通常采取压制各种形状的边缘、中间加劲来提 高其板件的局 部稳定性，如图1为卷边c、z形截面演化而岀 的新型复杂加劲 截面。对 此类截面形状较复杂的高强冷弯 型钢构件,很难采用传统的有效宽度法计算其承载力，各国 规范也无此类截面板件的有效宽度计算规定。因此, B1 SchaferT1 PekoZ和G. Hancock我国设计人员通常 采用稳定系数来计算压杆的稳定承 载力，但/规范0 （GB 50018- 2002）中稳定系数表是针对 Q235】等近年来提出了 一种全 新的冷弯型 钢构件承载力计算方法）直接强度法Q345的。因此，验证/规

7、范0 （ GB 50018- 2002）中稳定系数对 高强冷弯型钢压杆承载 力计算的适用性是本文所要解决的 建设部科学技术项目 P技术开发项目（023113）。该 法不需计算有效截面，就能计算截面形状较复杂的高强冷弯 Industrial Contruction Vol138, Nol8, 2008工业建筑 2008年第38卷第8期73型钢构件承载力。通过对长、短两部分压 杆进行试验，其中短柱试验目的 在于确定材料的折减屈服强度，长柱试验目的则 是确定高强 冷弯型钢压杆的稳定系数，并采用直接强度法对已完成的62 根压杆试件进行分析计算，以提岀高强冷弯型钢压杆承载力 的计算方法，为设计、研究提供

8、参考。试件截面 如图2a所示,它由两根帽形截面杆件通过图2b所示夹具组装成带 中间加劲的方形截面柱。短柱试件共30根,按板件宽厚比 P分成10组;长柱试件共32根，按板件宽厚比 P 分成3大类，每类宽厚比试件又按长细比 K分服强度fy = 710MPa,弹性模量E= 216000 MPa6。试件编号成5组。试件材料为550MPa高强镀锌、镀铝锌板材，材料屈高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#及实测尺寸详见表1和表2图1复杂加劲截面Fig. 1 Complexstiffened sectiona-试件截面；b-夹具图

9、2 截面、夹具Fig. 2 The sect On and clamps of the specime ns短柱试件实测尺寸、承载力计算值和试验值高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#Table 1 The measured dimensions, bearing capacity of test and calculated results of stub column specimens编号bPttFmmbPmmhPmmdPmmLPmmPc110PkNP c019PkNP c0185PkNPtPkNPtPPc01 85SSC1a20016111861071 860153

10、11428132615261711 01SSC1b111861071 76015311328122615271911 05SSC1c111761071 86014311328122615281611 08SSC2a25016141671281 17012361432183018321011 04SSC2b141371181 17012361833113110311011 00SSC2c141871171 97012361132153015311911 05SSC3a30016181481481 18014421037183515291901 84SSC3b181981381 180174119

11、37183515351511 00SSC3c181081581 08016411937173514341801 98SSC4a350162111101181 110013431240123815371001 96SSC4b201891581 010011421939193812351001 92SSC4c2110101081 210012431440143817371701 97SSC5a400162319111781 111012431940193911381001 97SSC5b2318111781 211013431940193912401011 02SSC5c2317111781 41

12、1013431940193912391001 99SSC6a600163514171881 116016451942104111391001 95SSC6b3518171781 016014451841194110471011 15SSC6c3516181081 216012461142124113391401 95SSC7a800164811231781 219017481044104311451711 06SSC7b4719231681 119016471943194310431011 00SSC7c4811231881 019017481044104311451011 04SSC8a10

13、00166012291881 021915491545144415421001 94SSC8b5915291881 321916491545144415471011 06SSC8c5917291781 121916491645154415471711 07SSC9a1200167217341881 225917511146194610461011 00SSC9b7217351681 125910511247114611471011 02SSC9c7216351781 225818511247114611481211 05SSC10a1500168914451081 12991052184815

14、4715441001 93SSC10b9010441881 329915521948174717501011 05SSC10c8919441981 329915521948164717511211 07注：Pc110、Pc019、Pc0185分别代表材料强度折减系数为110、019、0185时按直接强度法计算得到的各短柱试件承载力表2长柱试件实测尺寸、承载力计算值和试验值Table 2 The measured dimensions, test and calculated results of long column specimens编号bPtKtPmmtFmmhFmmdFmmLFmmPn

15、PkNPtPkNPtPP nlLSC1a4245016241 6111 981 140015301525130183LSC1b241 7121 181 140010301927150190LSC1c241 7121 481 140013311428100190LSC1d241 9121 581040010311730100195LSC2a70016241 6121 081360015191518130194LSC3a90016241 6121 481280015131012120194LSC3b241 7121 481 1800101310121 10193LSC4a115016241 612

16、1 47191 00010817101211 17LSC4b241 5121 37181 0001581591811 15LSC5a135016251 1121 28101 2001561 171211 18LSC5b251 2121 47171 199186137181124LSC6a5840016341 8171 471956015341034181102LSC6b341 5171 5814560183413341 10199LSC6c341 7171 571956012341232170196LSC7a50016341 7171 181364015311828160190LSC7b341

17、 6171 481464019321430140194LSC7c341 4171 671964017321429170192LSC8a90016341 8171 28121 12010181816140187LSC9a110016351 1171 37161 400151218141511 13LSC9b351 2171 57191 400151312151611 18LSC10a135016341 7161 97171 680158169121107LSC10b341 5171 78131 6801591510141109LSC11a7540016441 4221 5718720173519

18、38101106LSC11b441 5221 571872015351938171108LSC11c441 6221 381 171918361 132190191LSC12a60016441 9221 87171 079182910331311 15LSC12b451 0221 381 11 079142817281 10198LSC12c431 3221 47181 07915281027100196LSC13a85016451 0221 381 11 440122110231 1n 10LSC13b441 6221 67191 44012211 12418n 18LSC14a105016

19、451 0221 57171 8001016101812n 14LSC15a130016451 2221 581 12 159181213151 11123注：为取材料屈服强度01 85f y并按直接强度法计算得到的长柱试件承载力高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等75短柱试 件两端为固 接,采用WES500D型液压试验机加 载;长柱试件两端为 铰接，沿与帽型钢卷边平行方向布置单 向刀口铰,采用YE200A型液压试验机 加载。试验装置如图3所示。b1-端板；2-试件；3-单刀铰图3 试验装置Fig. 3 Experimental set- up图4 试件LSC9a及LSC1

20、4a局部屈曲Fig. 4 Local buckling of specimensLSC9a andLSC14b对试件首 先进行几何、物理对中以确保构件轴心受压, 然后分级加载至 试件破坏。绝 大多数短柱和长柱试件 破坏 前均出现了明显的局部屈曲波曲变形如图 4。正如预期的一 样，短柱试件最终压溃 破坏如图5a,长柱试 件则为整体 弯曲 失稳破坏如图5b。试件破坏前，端部无承压 破坏，夹具无脱落,截面基本无开口 现象，表明通过夹具将一对帽形截面组 合成带中间加劲的方 形截面的方法是可靠的。短柱和长柱 试件的试验极限承载力 Pt分别见表1和表2。表中试件尺 寸符号见图2a。a-短柱试件 SSC8b

21、压溃破坏；b-长柱试件LSClOb弯曲失稳 图5试件破坏模式Fig. 5 The failure modesof specimens3直接强度法同的计算分析G. Hancock和B. SchafeF在试验基础上经回归分析提 岀了轴压柱和纯弯梁的直接强度法计算公 式,这些公式现已 纳入北美冷弯型 钢设计规范NAS2004中。对于本文的方形 截面轴压试件,考虑局部屈曲影响的压杆承载力Pnl的直接 强度法计算式为：当氏01776Pnl = Pne（1a）当 Kl > 0 776Pnl(1b)P crl = Af ol其中 式中：Kl为构件柔度系数，Pcrl为构件局部屈曲临界荷载,f d为截面局

22、部屈 曲临界应力，A为全截面面积；Pne为不考虑局 部屈曲影响的构件整体承载力。对于短柱，Pne为构件压溃荷载，Pne= Afy,但如前所述, 屈服强度f y需要作适当折减以考虑高强钢材低延性的不利 影响；对于长柱，Pne= UAfy ；其中：U为高强冷弯型钢压杆的 稳定系数。本文将通过 62根压杆试件试验结果与直接强度 法计算结果进行比较分析，确定岀适合于高强冷弯薄壁型钢 压杆的强度折 减系数C和查找其整体稳定系数U的构件修 正长细比Kc。值得注意的是:式（1a）、式（1b）中的fol是指整个截面而 不是单板的局 部屈曲临界应力，即无法直接得到fd。本文 采用有限条程 序CUFSM7来计算f

23、ol ,该程序建模简单、后处 理方便，是直接强度法推荐使用的数值计算程序。对于本文 试件,f o应考虑截面板组相关作用。因此很难通过 解析建立 有限条计算模 型（图6a）,计算后试件截面变形见图6b,试件 在一个半波范 围内局部屈 曲波曲变形见图6co fol的程序计 算结果如表3所示。高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等77高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#表3试件截面局部屈曲临界应力f olTable 3The sectional critical buckling stressof specimensf ol编号 SSC1 SSC2 SSC3

24、SSC4 SSC5 SSC6 SSC7 SSC8 SSC9 SSC10 LCC-5 LCC610LCC1-15高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#f olFMIPa2 8821 8221 2529126953041691087547640322193a-有限条计算模型；b-计算后截面变形；c-计算后构件变形 图6有限条计算结果Fig. 6 Calculated results by finite slicing M ethodoP c110 ；, Pc019； ) t ) Pc0185； w- Pt高强冷弯薄壁型钢

25、压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#4比较和分析411 短柱将表3中fol代入式（1a）、式（1b）,同时选取三种强度折 减系数110、019 >0185即以fy、019fy、018fy分别 代入Pne,得 到短柱试件相应的承载 力计算值Pc110、Pc09、Pc0185见表1和 图7o由表1和图7可见：当强度不 折减即C= 110时，所有试 件计算值Pc110均大于试验值Pt；当强度折减系数C= 019 时,大部分试件计算值 Pc019亦大于试验值Pt；而当强度折减图7短柱试件试验值与计算值比较Fig. 7 Comparions of test results withcalcu

26、lated results of stub columns系数C= 01 85时,除个别试件外，计算值Pc0185均小于试验值 Pt o这表明高强钢材的低延性确实对构件承载力有不利影 响,通过与试 验值的比较，C取0185即取材料折减屈 服强度 0183T y代入直接强度法算式（1）,绝大多数试 件的PtPPc0185在 019511 07,故计算值Pc0i85与试验值Pt拟合较好且偏安全。412 长柱依据411节短柱试验分析得到的材料折减屈服强度 0185f y,长柱试件不考虑局部屈曲影响的压杆承载力Pne可由式（2）计算：Pne = LA（0185fy）（2）式中：L为高强冷弯型钢压杆的稳

27、定系数。/规范0（ GB 50018- 2002）中压杆稳定系数L表是根据Perry公式和低 强压杆试验结果的比较分析而得出的,文献 8对此进行过详细的分析。由文献 8的分析发现：在稳定 系数L与压杆长 细比K的关系式中，压杆长细比K与其材料 屈服强度成平方根的关系。因此,将/规范0（ GB 50018- 2002）中Q235钢的稳定系数表用作高强冷弯型钢压杆的稳 定系数表时，应将查取 稳定系数的长细比取为式（3）的修正 长细比忑：K= = K . a 85fyP235（ 3）将式（2）、式（3）及表3的截面局部屈曲临 界应力代入直 接强度法计算式（1）,即可得到各长柱试件承载力的直接强 度法

28、计算值Pnl（表2）。计算值Pnl与试验值Pt的对比结果 见表2及图8。对表2及图8进行分析，可得到如下结论：1）对于长细比较大的试件（K> 100）,试验值Pt均高于 计算值Pnl, PtPPnl大致在11071120。这是因为这些试件的 整体屈曲承载力接近Euler屈曲荷载，材料非线性对构件承 载力影响不大，因此，以折减屈服强度0185f y代替f y对长细 比较大的试件进行计算略显保守。2）对于构件长细比较小的试件（K< 100）,试验值Pt小 于计算值Pnl,即PPPn 基本上小于110。但绝大多数试件负 误差在5%以内。而个别试件如 LSC1aLSC11c等，负误差较 大

29、（约为10%）。这是因为试 件较短（K< 50）,整体屈曲承载 力相对较大,材料非线性对构件承载力影响较大。3）PtPPn与试件截面宽厚比bPt有关：bPt越大，PtPPnl 也越大，相应于IPt = 42、58、75, P ppn|分别为01 8301 95、 0187 11 02、0191110 8。这是因为材料的不利影响主要发生 在试件截面应力较大（接近fy）即有效宽度分布区域，而IPt 较大时,截面中很大一部分将处于低应力区，因此材料对承 载力的不利影响较bPt较小的试件要小。上述分析表明：本文取用折减材料屈服强 度0185fy以及 公式（3）的修正长细比 Kc查/规范0 （GB

30、 50018- 2002）中Q235 钢稳定系数L表来计算高强冷 弯型钢压杆承载力，对绝大多 数试件,直接强度法 计算值Pnl 与试验结果Pt吻合较好,且 方法简单，可避免重新制 作稳定系数表。文献9对此从可 靠度方面进行了分析，分析结果也表明该方法是可行的。高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等79高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#a-截面宽厚比 bPt= 42; b-截面宽厚比 bPt= 58; c-截面宽厚比IPt =75,

31、6; , Pnl ； w- Pt图8长柱试件试验值与计算值比较Fig. 8 Comparsonsof test resultsw ith calculated results of long columns高强冷弯薄壁型钢压杆试验及直接强度法计算分析）何保康，等#5结论1）高强钢材的低延性对构件 的承载力有不利影 响，可通过取材料折减屈服强度01 851 y来考虑这种不利影响。2）高强冷弯薄壁型钢压杆的稳定系数L可取用本文式 （3）的换算 长细比Kc查/规范0（GB 50018- 2002）中Q235钢 的稳定系数表而得到。3）在用数值计 算程序得到考虑板组相关作用的截面局部屈曲临界应力fd的

32、基础上，结合结论1）、2）可用直接强度 法计算高强冷弯型钢压杆的承载力。此方法简便实用，可供设计参考。参考文献1 GB 50018- 2002冷弯薄壁型钢结构技术规范2 Yang Demao, Hancock G J. CompressionTests of ColdReduced High Strength Steel Sections： I Stub Columns. Journal of StructuralEngineerng, 2004, 130( 11)： 1 772- 1 7813 Schafer B, Pekoz T. Laterally Braced Col-Formed Steel Flexural M embers with EdgeStffene