楊 璐 徐東辰 尚 帆 王元清 張 勇

(1北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)(2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)(3清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084)

雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

楊 璐1徐東辰2尚 帆1王元清3張 勇2

(1北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124)(2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)(3清華大學(xué)土木工程系, 北京 100084)

為了研究雙相型不銹鋼材在軸心受壓下的整體穩(wěn)定性能,對(duì)6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn).在試驗(yàn)前對(duì)試件的幾何初彎曲進(jìn)行了測(cè)量,在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)荷載初偏心進(jìn)行了量測(cè).根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析了構(gòu)件的失穩(wěn)變形特征和整體穩(wěn)定承載力,并與歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(EN 1993-1-4)和中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB50017—2003)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明,試驗(yàn)數(shù)據(jù)均高于歐洲規(guī)范計(jì)算值,但整體低于中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法的計(jì)算值;同時(shí)說(shuō)明歐洲規(guī)范采用的設(shè)計(jì)曲線偏保守,而中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)曲線應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整.

雙相型不銹鋼;焊接箱形截面;軸壓柱;整體穩(wěn)定;承載性能

不銹鋼結(jié)構(gòu)具有造型美觀、耐腐蝕性好、易于維護(hù)和全壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn),因而在建筑結(jié)構(gòu)中有廣闊的適用性[1],特別是在海洋平臺(tái)、跨海橋梁、儲(chǔ)備抗腐蝕性介質(zhì)的廠房和倉(cāng)庫(kù)等特殊環(huán)境下,采用不銹鋼材將顯著降低結(jié)構(gòu)的維護(hù)費(fèi)用,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命年限,降低結(jié)構(gòu)的全壽命周期成本[2].

近年來(lái),國(guó)外研究學(xué)者對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行了深入的研究,并修訂了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范.主要研究的領(lǐng)域集中在不銹鋼的材料性能[3-6]、不銹鋼鋼材的截面殘余應(yīng)力[7-9]、不銹鋼材料構(gòu)件的局部穩(wěn)定[10-14]等方面.Young等[15]對(duì)冷彎成型的不銹鋼材料圓管柱進(jìn)行了試件穩(wěn)定性試驗(yàn)研究,得到了局部屈曲、整體屈曲以及整體和局部的相關(guān)屈曲等失效模態(tài),并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估了當(dāng)前應(yīng)用的規(guī)范設(shè)計(jì)公式.Gardner等[16]進(jìn)行了不銹鋼的短柱試驗(yàn),并對(duì)現(xiàn)行歐洲規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,提出了設(shè)計(jì)建議和新的方法.

目前我國(guó)在不銹鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段,王元清等[17-18]對(duì)焊接不銹鋼梁的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究以及有限元分析,并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范提出了修正設(shè)計(jì)建議公式.鄭寶峰[19]對(duì)冷彎薄壁不銹鋼材料試件開展了軸心受壓試驗(yàn)研究,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元參數(shù)分析結(jié)果提出了不銹鋼承載能力的建議計(jì)算公式.然而目前國(guó)內(nèi)外開展的相關(guān)研究大部分只局限在冷成型的不銹鋼構(gòu)件部分,還沒(méi)有針對(duì)不銹鋼焊接截面軸壓構(gòu)件進(jìn)行相關(guān)的研究.與此同時(shí),國(guó)內(nèi)還沒(méi)有制定相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,這極大地制約了不銹鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣與應(yīng)用.

為了研究雙相型不銹鋼材軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能,本文對(duì)6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面試驗(yàn)柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)研究.重點(diǎn)考察了此類構(gòu)件的失穩(wěn)形式、整體穩(wěn)定承載力以及截面應(yīng)力的發(fā)展,加深對(duì)此類軸壓桿的失穩(wěn)模態(tài)和穩(wěn)定承載力的認(rèn)識(shí),并將實(shí)驗(yàn)值與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果可供相關(guān)研究參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓試件,采用E308型焊條對(duì)雙相型不銹鋼進(jìn)行焊接,翼緣和腹板之間采用全焊透的對(duì)接焊縫連接,焊腳尺寸hb=5 mm,如圖1所示.

圖1 箱形截面尺寸符號(hào)

試件的實(shí)測(cè)的幾何尺寸見表1,表中,L為試件幾何長(zhǎng)度;Lt為鋼柱兩端單刀鉸支座轉(zhuǎn)動(dòng)中心間距(Lt=L+340).所有構(gòu)件的設(shè)計(jì)均經(jīng)過(guò)初始計(jì)算和數(shù)值模擬,盡量確保試件在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生整體失穩(wěn)和避免發(fā)生局部屈曲.考慮到不銹鋼材料有一定程度的各向異性,構(gòu)件加工時(shí)確保長(zhǎng)度方向與軋制方向一致.

表1 試件實(shí)測(cè)幾何尺寸 mm

1.2 材性試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前,對(duì)雙相型不銹鋼進(jìn)行材料性能試驗(yàn),測(cè)得了雙相型不銹鋼軋制方向的材料屬性,如表2所示.將材料性能試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN 1993-1-4中的應(yīng)力-應(yīng)變模型曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖2所示.

表2 軋制方向材料屬性

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過(guò)程中使用的加載裝置如圖3所示,采用

圖3 試驗(yàn)加載裝置

500 t液壓式長(zhǎng)柱壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載.加載過(guò)程中,試件兩端各布置一個(gè)單刀鉸,使得加載裝置與柱子端部實(shí)現(xiàn)單向鉸接,單刀鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與試件彎曲失穩(wěn)平面垂直;單刀鉸轉(zhuǎn)動(dòng)中心至柱端面距離為170 mm,因此試件的鉸接長(zhǎng)度Lt=L+340.

1.4 測(cè)量

位移計(jì)架設(shè)如圖4所示,位移計(jì)LVDT-5和LVDT-6用于測(cè)量試件失穩(wěn)平面內(nèi)的水平位移,同時(shí)在柱中失穩(wěn)平面外設(shè)置一個(gè)位移計(jì)LVDT-7用于測(cè)量試件失穩(wěn)時(shí)失穩(wěn)平面外柱中截面的水平位移,位移計(jì)LVDT-3 和LVDT-4 用于測(cè)量試件的豎向變形,即柱底端千斤頂?shù)募虞d點(diǎn)位移;上、下兩端單刀鉸兩側(cè)的位移計(jì)LVDT-1,LVDT-2 以及LVDT-8,LVDT-9 用于測(cè)量柱端的轉(zhuǎn)角.

圖4 位移計(jì)架設(shè)示意圖

對(duì)于兩端鉸接軸壓鋼柱,通常情況下,柱中截面是失穩(wěn)臨界截面,因此試驗(yàn)過(guò)程中,在所有試件的柱中截面布置了8個(gè)應(yīng)變片，用于分析該臨界截面的應(yīng)變分布;在柱兩端截面各布置4個(gè)應(yīng)變片,用于推算試件在彈性受力階段端部截面應(yīng)變分布的荷載初

偏心值,應(yīng)變片布置如圖5所示.

(a) 柱端截面

在試驗(yàn)開始前,對(duì)每個(gè)試件的整體幾何初始彎曲進(jìn)行了測(cè)量,采用光學(xué)測(cè)量設(shè)備測(cè)量沿柱長(zhǎng)方向四分點(diǎn)位置處截面中心偏離柱兩端截面中心連線的距離(d1,d2及d3),并取最大值作為試件的幾何初始彎曲值d0.

由于實(shí)際操作過(guò)程中無(wú)法直接測(cè)量試件截面中心的偏離值,因此測(cè)量過(guò)程中取鋼柱四條棱邊在同一截面位置處沿某一方向偏離值的平均值，以此值作為截面中心線的偏離值.對(duì)每個(gè)試件平面內(nèi)的初彎曲值均進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果見表3.

表3 試件平面內(nèi)幾何初始缺陷測(cè)量結(jié)果

在表3中,eot,eob表示由柱端應(yīng)變片數(shù)據(jù)反算得出的頂端和柱子底端的荷載偏心值;e為總的幾何初始缺陷長(zhǎng)度,按照e=d0+(e0b+e0t)/2進(jìn)行計(jì)算;符號(hào)相反的幾何初始缺陷測(cè)量結(jié)果表示其在豎向荷載作用下產(chǎn)生的附加彎矩方向相反.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 失穩(wěn)模態(tài)及變形分析

試驗(yàn)結(jié)果表明,所有試件均發(fā)生整體彎曲失穩(wěn),圖6為典型失穩(wěn)模態(tài).

為了研究不銹鋼試件的失穩(wěn)變形發(fā)展規(guī)律及截面應(yīng)變發(fā)展情況,圖7給出了焊接箱形截面全部構(gòu)件荷載位移曲線(包括荷載-豎向位移曲線、荷載-柱中水平位移曲線).圖8給出了試件S2205-4000-B的荷載-柱端轉(zhuǎn)角曲線及柱中截面應(yīng)變分布曲線;其余試件的變形應(yīng)力發(fā)展規(guī)律與該試件相似.

(a) S2205-2000

(b) S2205-1500

圖8(a)為試件的柱端轉(zhuǎn)角曲線,曲線較為平滑,表明柱兩端的單刀鉸較為理想,能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng).從圖8(b)中可以看出,試件S2205-4000-B失穩(wěn)時(shí),柱中截面最大應(yīng)變均未超過(guò)屈服應(yīng)變,截面未達(dá)到屈服,屬于彈性失穩(wěn),失穩(wěn)后部分截面屈服.試件S2205-4000和S2205-3500的失穩(wěn)模態(tài)與試件S2205-4000-B的失穩(wěn)模態(tài)相同,但其余試件卻展現(xiàn)了另外2種失穩(wěn)模態(tài),如圖9所示.從圖9(a)可以看出,試件S2205-1500發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí),柱中截面應(yīng)變幾乎全部超過(guò)了屈服應(yīng)變,因此試件S2205-1500的失穩(wěn)模態(tài)屬于塑性失穩(wěn).如圖9(b)所示,試件S2205-3000發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí),柱中部分截面應(yīng)變超過(guò)了屈服應(yīng)變,部分截面應(yīng)變還未達(dá)到屈服應(yīng)變,因此試件S2205-3000的失穩(wěn)模態(tài)屬于彈塑性失穩(wěn).試件S2205-2000失穩(wěn)模態(tài)與試件S2205-3000相同.所有試件均沒(méi)有出現(xiàn)板件局部屈曲的現(xiàn)象.

(a) 荷載-豎向位移曲線

(b) 荷載-柱中截面水平位移曲線

(a) 荷載-柱端轉(zhuǎn)角曲線

(b) 柱中截面應(yīng)變分布及發(fā)展

(a) S2205-1500

(b) S2205-3000

2.2 穩(wěn)定承載力

按照極限承載力理論確定構(gòu)件的極限承載力.受壓柱的整體穩(wěn)定承載力Pu根據(jù)壓力試驗(yàn)機(jī)的力傳感器讀數(shù)得到(見表4).采用下式計(jì)算整體穩(wěn)定系數(shù)φ:

(1)

式中,A為試件截面面積;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值.

表4也給出了其他相關(guān)的計(jì)算結(jié)果,包括構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度Lt、長(zhǎng)細(xì)比λ以及截面分類、整體穩(wěn)定系數(shù)試驗(yàn)值φ及屈曲折減系數(shù)試驗(yàn)值χ、歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的穩(wěn)定承載力計(jì)算值P1、中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的穩(wěn)定承載力計(jì)算值P2等.

表4 構(gòu)件穩(wěn)定承載力及長(zhǎng)細(xì)比λn

在歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范EN 1993-1-4中,受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力為

(2)

式中,γM1為針對(duì)構(gòu)件穩(wěn)定而設(shè)計(jì)的抗力分項(xiàng)系數(shù),對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)取1.1.對(duì)不銹鋼材料,可采用σ0.2來(lái)替代屈服強(qiáng)度f(wàn)y.

采用下式計(jì)算屈曲折減系數(shù)χ:

(3)

在中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范[21]中,受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定承載力為

P2=φAfy

(4)

針對(duì)不銹鋼材料,采用σ0.2替代fy.本次試驗(yàn)中采用的焊接箱形截面構(gòu)件的板件寬厚比大于20,因而根據(jù)中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定,采用b類曲線.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將每個(gè)試件算得正則化長(zhǎng)細(xì)比，并與采用歐洲規(guī)范EN 1993-1-4設(shè)計(jì)曲線和中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10所示.可以看出,所有試件的試驗(yàn)值均高于歐洲規(guī)范曲線中的設(shè)計(jì)值；除個(gè)別值低于中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)曲線中的設(shè)計(jì)值外，其余試驗(yàn)值與中國(guó)規(guī)范曲線的設(shè)計(jì)值接近.表明歐洲規(guī)范EN 1993-1-4采用的設(shè)計(jì)曲線較為合理,能較為準(zhǔn)確地反映試件承載力和屈曲折減系數(shù)之間的變化規(guī)律,而中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)曲線可能高于構(gòu)件的實(shí)際穩(wěn)定承載力,這樣易導(dǎo)致設(shè)計(jì)不安全,不能滿足工程設(shè)計(jì)與實(shí)際的要求,應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整和修正.

(a) 與歐洲規(guī)范設(shè)計(jì)曲線比較

(b) 與中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)曲線比較

3 結(jié)論

1) 對(duì)于雙相型不銹鋼焊接箱型截面軸壓構(gòu)件,試件的失穩(wěn)模態(tài)分為彈性失穩(wěn)、彈塑性失穩(wěn)和塑性失穩(wěn)3種失穩(wěn)模態(tài),試驗(yàn)過(guò)程中試件沒(méi)有發(fā)生板件的局部屈曲現(xiàn)象.

2) 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與歐洲EN 1993-1-4和中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范比較的結(jié)果可以看出,本文試驗(yàn)的試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)均高于歐洲規(guī)范中相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線,而試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)則個(gè)別低于中國(guó)規(guī)范中的相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線.表明歐洲規(guī)范EN 1993-1-4中采用的c類曲線較為保守,而中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范采用的設(shè)計(jì)曲線則不適用,需要進(jìn)一步調(diào)整和修正.

3) 本文試驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)行中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范不能滿足不銹鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求,因而，本文工作對(duì)未來(lái)我國(guó)不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的編制工作有一定的推動(dòng)作用.同時(shí)本文試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)也為未來(lái)不銹鋼材料的整體穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證以及相關(guān)設(shè)計(jì)方法的提出提供了相關(guān)的試驗(yàn)依據(jù).

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Experimental study on overall buckling behavior of duplex stainless steel welded box columns under axial compression

Yang Lu1Xu Dongchen2Shang Fan1Wang Yuanqing3Zhang Yong2

(1School of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)(2School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)(3Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to investigate the overall buckling behaviour of duplex stainless steel columns under axial compression, the axial compression tests of six full-scale welded box-section specimens were carried out. The initial geometric imperfection of each specimens and the loading eccentricity were measured before and during the tests, respectively. Based on the test data, the overall buckling deformation characteristics and the buckling capacity of the specimens were analyzed, and compared with the calculation results of the European steel standard EN 1993-1-4 and the Chinese steel standard GB50017—2003. The results show that the test data is higher than the calculation results in EN 1993-1-4, but generally lower than those in GB50017—2003.Therefore, the design curves in EN 1993-1-4 are generally conservative, and the curve in GB50017—2003 should be adjusted correspondingly.

duplex stainless steel; welded box section; axial compression column; overall buckling; load capacity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.029

2014-09-06. 作者簡(jiǎn)介: 楊璐(1982—), 男,博士, 副教授, lyang@bjut.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108007)、中國(guó)博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目(2014T70020).

楊璐,徐東辰,尚帆,等.雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):364-369.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.029

TU391

A

1001-0505(2015)02-0364-06