Discussion on the Caculation Method of Bearing Force for the Q235 Equilateral Angle Steel Compressive Bar with the Cold-Bending Thin-Wall

金勝強1,童露華1,吳樹陽1,安鵬飛1,孫德發(fā)2JIN Shengqiang1, TONG Luhua1, WU Shuyang1, AN Pengfei1, SUN Defa2（1.嘉興學院土木工程系，浙江嘉興314001；2.嘉興學院結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江嘉興314001）

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Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計算方法探討

Discussion on the Caculation Method of Bearing Force for the Q235 Equilateral Angle Steel Compressive Bar with the Cold-Bending Thin-Wall

金勝強1,童露華1,吳樹陽1,安鵬飛1,孫德發(fā)2
JIN Shengqiang1, TONG Luhua1, WU Shuyang1, AN Pengfei1, SUN Defa2
（1.嘉興學院土木工程系，浙江嘉興314001；2.嘉興學院結(jié)構(gòu)工程研究所，浙江嘉興314001）

摘 要：在分析比較《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003）》和《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》條文規(guī)定的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗結(jié)果，對Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計算方法進行了較深入的探討和分析比對。研究結(jié)果顯示：采用有效寬度法的我國現(xiàn)行規(guī)范GB 50018—2002可以有效地預測Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力，與試驗結(jié)果吻合良好且偏于安全。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼；等邊角鋼；壓桿；有效寬度法；極限承載力

鋼結(jié)構(gòu)按型鋼軋制方式分熱軋型鋼結(jié)構(gòu)和冷彎型鋼結(jié)構(gòu)。熱軋型鋼結(jié)構(gòu)又稱普鋼結(jié)構(gòu)或重鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計規(guī)范是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003）》［1］；熱軋型鋼結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)局部屈曲，限制截面板件寬厚比。

冷彎型鋼結(jié)構(gòu)，又稱薄鋼結(jié)構(gòu)，屬輕鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計規(guī)范為《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）［2］；冷彎型鋼結(jié)構(gòu)允許局部屈曲并利用板件屈曲后強度。

冷彎薄壁型鋼作為一種可重復利用和環(huán)保型建筑材料，已經(jīng)被大量使用在輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中，如低層住宅、工業(yè)廠房、鋼模板、腳手架、橋梁結(jié)構(gòu)、輸電線塔等。冷彎型鋼構(gòu)件用相對較少材料承受較大的外載，不是單純用增大截面面積，而是通過改變截面形狀的方法獲得。角鋼截面廣泛應用于塔架結(jié)構(gòu)、格構(gòu)柱、桁架結(jié)構(gòu)及支撐等結(jié)構(gòu)。

冷彎薄壁等邊角鋼截面屬于單軸對稱開口截面，壓桿失穩(wěn)有整體屈曲和局部屈曲兩種模式。可能對最小主軸彎曲屈曲，也可能對對稱軸彎扭屈曲；可能局部屈曲，也可能畸變屈曲；還有可能發(fā)生既有整體屈曲又有局部屈曲。從《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》第5.2.3條規(guī)定可以看出，計算截面全部有效的不卷邊的等邊單角鋼軸心受壓構(gòu)件，只考慮了彎曲屈曲，并沒有考慮彎扭屈曲和局部屈曲等形式。如果計算截面不是全部有效怎么辦呢？究竟哪種失穩(wěn)模式起控制作用呢？目前還無法找到合適的答案。針對上述問題，本文將在L30×2.0截面Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》中的計算方法進行理論計算與分析比對，以期尋找出規(guī)律，為此類設(shè)計提供參考。

1 試 驗

冷彎薄壁等邊角鋼截面尺寸為L30×2.0，壓桿試件長度分別為300、500、1 000 mm。截面特性見表1，符號定義見圖1。試件加載裝置［3］和試件布置示意見圖2。試件試驗承載力見表2。試件材料為Q235，理論計算取fy= 235 N/mm2，f = 205 N/mm2，E = 206 000 N/mm2。

表1 Q235的截面特性

圖1 截面符號定義

圖2 加載裝置和試件布置示意圖

表2 試件試驗承載力

2 理論計算

2.1 按《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》規(guī)定計算

2.1.1 按第5.2.3條的規(guī)定

考慮彎曲屈曲，假定截面全部有效，計算Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿穩(wěn)定系數(shù)時，其長細比取下式算得的較大值：

lox、loy為構(gòu)件在垂直于截面主軸x軸和y軸的平面內(nèi)的計算長度；

ix、iy為構(gòu)件毛截面對其主軸x軸和y軸的回轉(zhuǎn)半徑。

2.1.2 按第5.2.4條的規(guī)定

考慮彎扭屈曲，按單軸對稱開口截面計算Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿穩(wěn)定系數(shù)時，其長細比應取按式（2）和下式算得的較大值：

式中：λw為彎扭屈曲的換算長細比；

Iw為毛截面扇形慣性矩；

It為毛截面抗扭慣性矩；

e0為毛截面的彎心在對稱軸上的坐標；

lw為扭轉(zhuǎn)屈曲的計算長度，lw=β·l；

l為無綴板時，為構(gòu)件的幾何長度；有綴板時，

取兩相鄰綴板中心線的最大距離；

α、β為約束系數(shù)。

考慮截面全部有效，不同整體屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力N =φAf，見表3。

表3 試件穩(wěn)定承載力

2.1.3 按第5.6條的規(guī)定

對于非加勁板件，有效寬度按下式計算：

式中：b為板件寬度；

t為板件厚度；

考慮整體-局部屈曲相關(guān)性（有效截面問題）下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力N =φAef見表4。

be為板件有效寬度；

α為計算系數(shù)，取值為1.0；

bc為板件受壓區(qū)寬度，取值為其板寬；

表4 試件穩(wěn)定承載力

2.2 按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003）》規(guī)定計算

2.2.1 按第5.1.2條3的規(guī)定

等邊單角鋼截面繞對稱軸的λxz可采用下列簡化方法確定：

2.2.2 按第5.1.2條4的規(guī)定

單軸對稱的軸心壓桿在繞非對稱主軸以外的任一軸失穩(wěn)時，應按照彎扭屈曲計算其穩(wěn)定性。當計算等邊單角鋼構(gòu)件繞平行軸（x0）穩(wěn)定時，可用下式計算其換算長細比λx0z，并按b類截面確定φ值：

式中：

lox0為構(gòu)件對x0軸的計算長度，ix0為構(gòu)件截面對x0軸的回轉(zhuǎn)半徑。

2.2.3 按第3.4.2條規(guī)定

考慮強度折減，按軸心受壓計算穩(wěn)定性，等邊角鋼乘以系數(shù)η為：

式中：λ為長細比，對中間無聯(lián)系的單角鋼壓桿，應按最小回轉(zhuǎn)半徑計算，當λ＜20時，取λ= 20。

考慮截面全部有效，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003）》相關(guān)規(guī)定計算穩(wěn)定承載力，見表5。

表5 試件穩(wěn)定承載力

3 比較分析

按《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 50017—2003）》不同條文規(guī)定計算的兩端簡支冷彎薄壁等邊角鋼壓桿（L30×2.0）極限承載力與試驗結(jié)果比較見圖3。其中N為GB 50018—2002考慮整體-局部屈曲相關(guān)性（有效截面問題）下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Nx為GB 50018—2002考慮截面全部有效，對x軸彎曲屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Ny為GB 50018—2002考慮截面全部有效，對y軸彎曲屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Nw為GB 50018—2002考慮截面全部有效，對x軸彎扭屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Nxz為按GB 50017—2003簡化方法計算，對x軸彎扭屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Nx0為按GB 50017—2003簡化方法計算，對x0軸彎扭屈曲模式下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；N′為按GB 50017—2003簡化方法計算，考慮強度折減后的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力；Nt為冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的試驗承載力。

圖3 L30×2.0試件試驗結(jié)果和不同規(guī)范條文的比較

從圖3來看，對于兩端簡支的試件，只有按GB 50018—2002考慮整體-局部屈曲相關(guān)性（有效截面問題）下的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力N小于試驗承載力Nt，說明此計算方法是安全的。

按GB 50018—2002考慮截面全部有效，當長細比較小時，彎扭屈曲承載力Nw小于彎曲屈曲承載力Ny，說明按GB 50018—2002第5.2.3條的規(guī)定計算將會導致不安全。

按GB 50017—2003簡化方法計算，只有Nxz和Nw與GB 50018—2002計算結(jié)果相近，這是因為對于對稱軸計入了縱軸扭轉(zhuǎn)的影響，均考慮了彎扭屈曲。

按GB 50017—2003簡化方法計算Nx0時，桿長300 mm和500 mm時承載力無差異，與試驗不符。

按GB 50017—2003簡化方法計算N′，考慮強度折減后的冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力，桿長越長承載力越高，與試驗與常識均不符。

綜上所述，對Q235冷彎薄壁等邊角鋼軸壓桿承載力計算應按GB 50018—2002，既要考慮有效截面，又要考慮彎扭屈曲。

4 結(jié) 語

結(jié)果表明，采用《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB 50018—2002）》中的有效寬度法，可以有效地預測Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩(wěn)定承載力，這與試驗結(jié)果吻合良好且偏于安全。

參考文獻

［1］北京鋼鐵設(shè)計研究總院.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［2］湖北省發(fā)展計劃委員會.GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2002.

［3］趙勝江，林灝，呂呈，等.Q235冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計算方法［J］.山西建筑，2015，41（23）：23-24.

式中：λx、λy為構(gòu)件對截面主軸x軸和y軸的長細比；

中圖分類號：TU392.1

文獻標志碼：A

文章編號：1008-3707（2016）02-0015-04

收稿日期：2015-11-11

基金項目：嘉興學院一般和重點SRT項目（851715088）

作者簡介：金勝強（1994—），男，安徽安慶人，本科在讀。