馬 輝， 劉喜洋， 強(qiáng)佳琪， 張國恒， 劉方達(dá)

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺問題變得尤為突出。自然界的一次能源(如煤炭、石油、天然氣等)儲(chǔ)量有限，能源危機(jī)迫在眉睫，若不盡早找出一次能源的替代能源，將面臨燃料枯竭的危險(xiǎn)。太陽能作為一種清潔、無污染、可再生的能源，受到了各國政府的高度重視，因而應(yīng)用前景十分廣闊。我國幅員遼闊，太陽能資源十分豐富，截至2020年，我國累計(jì)光伏并網(wǎng)裝機(jī)量達(dá)到253GW，新增光伏并網(wǎng)裝機(jī)量達(dá)到48.2GW，總機(jī)量及新增裝機(jī)量均為全球第一[1]，這有效地支撐了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。當(dāng)前，我國太陽能光伏支架結(jié)構(gòu)的材質(zhì)多種多樣，其中冷彎薄壁型鋼光伏支架因其性能穩(wěn)定、承載力高、耐腐蝕、美觀大方、成本較低且安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用(見圖1)。

圖1 冷彎薄壁型鋼太陽能光伏支架Fig.1 Solar photovoltaic bracket with cold-formed thin-walled steel

冷彎薄壁型鋼在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已有60多年的歷史，美國、澳大利亞等國家在居民住宅中廣泛使用了冷彎薄壁型鋼[2-3]。國內(nèi)張雪嬌[4]采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，對冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了研究，提出了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的計(jì)算方法。沈祖炎、李元齊等[5-6]采用二階矩概率法對冷彎薄壁型鋼軸心受壓構(gòu)件進(jìn)行了可靠度分析，結(jié)果表明，現(xiàn)行《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB 50018—2002[7]中，考慮板組約束計(jì)算截面有效寬厚比的方法對構(gòu)件軸壓承載力的計(jì)算是可靠的。國外Fül?p等[8]對兩層冷彎薄壁型鋼住宅的動(dòng)力特性進(jìn)行了現(xiàn)場測量，提出低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)住宅的阻尼比宜取5%。Dubina[9]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)分析了冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的自振頻率、阻尼比和地震反應(yīng)，結(jié)果表明冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。文獻(xiàn)[10]提出了一種提高冷彎型鋼梁強(qiáng)度的新方法，并對不同的冷彎型鋼組合梁在四點(diǎn)荷載作用下的簡支端條件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該冷彎型鋼組合梁具有良好的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性。

目前，國內(nèi)外對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳連接承載力的研究鮮見報(bào)道，且缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)規(guī)范雖提出了關(guān)于冷彎薄壁型鋼各構(gòu)件的承載力計(jì)算方法，但該方法只適用于結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件的承載力計(jì)算，而對于冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗拔與抗壓極限承載力計(jì)算，目前還沒有相應(yīng)的方法。鑒于此，本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了8個(gè)柱腳抗拔和8個(gè)柱腳抗壓試件，并進(jìn)行了抗拔和抗壓試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析支架柱腳的破壞形態(tài)、荷載-位移曲線及承載力等；基于現(xiàn)有規(guī)范和理論研究，提出了適合于冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼柱腳的極限承載力修正計(jì)算公式，可為冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

考慮到冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架的工程應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)受拉和受壓兩種情況，本次試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了8個(gè)柱腳抗拔和8個(gè)柱腳抗壓試件，抗拔試件編號(hào)為C-T-1～C-T-8，抗壓試件編號(hào)為C-C-1～C-C-8。試件長度均為350 mm，翼緣寬度均為52 mm。柱腳結(jié)構(gòu)為上端帶有連接鋼板的圓鋼管混凝土構(gòu)件，連接鋼板下端伸入鋼管內(nèi)混凝土，上部通過螺栓和自攻螺釘與光伏支架連接，螺栓規(guī)格為M8×1，自攻螺釘規(guī)格為ST4.8級(jí)。試件采用強(qiáng)度等級(jí)為G550的冷彎薄壁型鋼，鋼板厚度均為2 mm，型鋼屈服強(qiáng)度為550 MPa，極限抗拉強(qiáng)度為610 MPa，彈性模量為205 GPa，斷裂伸長率為14%。試件如圖2所示。

圖2 冷彎薄壁型鋼光伏支架柱腳Fig.2 Cold-formed thin-walled steel photovoltaic support column foots

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

本次光伏支架柱腳承載力試驗(yàn)在西安理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用MTS電液壓伺服儀進(jìn)行軸向靜力加載，如圖3所示。試件安裝后首先對中，然后進(jìn)行預(yù)加載以消除試件與夾具之間的滑移，并檢查試驗(yàn)設(shè)備及儀表等是否正常；試驗(yàn)采用位移控制加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，待水平承載力下降至極限承載力的85%時(shí)停止加載。采用近距離觀測、拍照及現(xiàn)場記錄等方法對試件的試驗(yàn)過程及試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察記錄。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test loading devices

2 光伏支架柱腳承載力試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過程及破壞形態(tài)

冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳抗拔與抗壓的破壞形態(tài)及特征如圖4～5所示。主要描述如下：①柱腳受拉的破壞形態(tài)：自攻螺釘被剪斷后，下部柱腳圓鋼管內(nèi)混凝土被拉出2～3 cm，試件發(fā)生破壞，整個(gè)試驗(yàn)過程中上部連接件和下部柱腳圓鋼管均未發(fā)生破壞；②柱腳受壓的破壞特征：自攻螺釘內(nèi)部混凝土在壓力作用下產(chǎn)生一定的壓縮變形，上部連接件翼緣與底部鋼管壁之間產(chǎn)生擠壓變形，最終連接件翼緣擠壓屈服且自攻螺釘被剪斷，從而導(dǎo)致試件發(fā)生破壞。

圖4 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗拔破壞現(xiàn)象Fig.4 Anti-pull failure phenomenon of cold-formed thin-walled high-strength alloy steel photovoltaic support column foots

通過冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼板連接件與混凝土之間有較好的粘結(jié)力，故試件破壞的原因是自攻螺釘抗剪承載力較弱，圓鋼管內(nèi)部混凝土與鋼管內(nèi)壁之間粘結(jié)力較差，從而導(dǎo)致連接件與混凝土從底部圓鋼管中拔出，致使試件最終破壞。通過冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件最終破壞的原因仍然是自攻螺釘抗剪承載力較弱，最終鋼板連接件翼緣被壓彎發(fā)生撕裂破壞，并且鋼管發(fā)生輕微鼓起。

圖5 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗壓破壞現(xiàn)象Fig.5 Compression failure phenomenon of cold-formed thin-walled high-strength alloy steel photovoltaic support column foots

2.2 柱腳抗拔試驗(yàn)結(jié)果分析

通過MTS測得冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的荷載-位移曲線，如圖6所示。表1列出了每個(gè)試件的抗拔極限承載力，各個(gè)試件的抗拔極限承載力大小存在一定差距，這可能是由于：①試件制作存在誤差，特別是對于這類薄壁型鋼構(gòu)件，構(gòu)件的尺寸精度及質(zhì)量要求相對較高；②試件的材料性能存在不均勻性；③柱腳的抗拔及抗壓承載力相對較小，對加載裝置及設(shè)備精度要求較高等。本文為減少不利因素對試件極限承載力的影響，在計(jì)算時(shí)去除了極限承載力的最大值和最小值，由此求得試件極限承載力的平均值為12.93 kN(特征值Pt1)。此極限承載力均值可為冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

圖6 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗拔荷載-位移曲線Fig.6 Uplift load-displacement curves of cold-formed thin-walled high-strength alloy steel photovoltaic support column foots

表1 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱

由圖6可知，各試件荷載-位移曲線的走勢基本一致，說明其受力較為相似。加載前期，試件處于彈性階段，荷載-位移曲線基本呈線性相關(guān)，此時(shí)荷載較小，柱腳鋼管與內(nèi)部混凝土之間并未產(chǎn)生相對滑移；隨著荷載的增大，混凝土與鋼管之間產(chǎn)生相對滑移，峰值荷載后承載力急劇下降隨后又趨于穩(wěn)定，這是由于自攻螺釘達(dá)到極限承載力后被剪斷，柱腳內(nèi)壁與混凝土之間的摩擦力不足所致，最后圓鋼管內(nèi)部混凝土被拔出，試件破壞。

2.3 柱腳抗壓試驗(yàn)結(jié)果分析

冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗壓試驗(yàn)與抗拔試驗(yàn)一樣，是檢驗(yàn)冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳承載力的重要試驗(yàn)之一。試驗(yàn)過程中，通過MTS實(shí)測了冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的荷載-位移曲線，如圖7所示。各試件的實(shí)測抗壓極限承載力如表2所示，同理，可求得試件極限抗壓承載力的平均值為27.50kN(特征值Pt2)。由圖7可知，對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架進(jìn)行柱腳抗壓時(shí)，各試件荷載-位移曲線的走勢基本一致，呈現(xiàn)出周期性增長的現(xiàn)象。在加載初期，抗壓試驗(yàn)與抗拔試驗(yàn)一致，此時(shí)荷載與位移線性相關(guān)；隨著荷載的持續(xù)增加，自攻螺釘達(dá)到極限承載力繼而被剪斷，承載力急劇下降，隨后連接件翼緣與圓鋼管壁接觸后，承載力繼續(xù)上升至第二次峰值荷載；隨著荷載的增加，最終連接件型鋼翼緣發(fā)生擠壓撕裂破壞，導(dǎo)致荷載-位移曲線逐漸下降。

圖7 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗壓荷載-位移曲線Fig.7 Compressive load-displacement curves of cold-formed thin-walled high-strength alloy steel photovoltaic support column foots

表2 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗壓試驗(yàn)極限承載力

3 承載力計(jì)算分析

3.1 柱腳抗拔承載力計(jì)算

由試件破壞過程可以看出，自攻螺釘達(dá)到極限承載力后先被剪斷，而后鋼管內(nèi)部混凝土被拔出，螺釘剪斷后荷載-位移曲線也開始下滑直至最終破壞。因此，在進(jìn)行柱腳抗拔承載力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮自攻螺釘?shù)氖芗羝茐囊约盎炷僚c柱腳鋼管內(nèi)壁之間的摩擦力，即：

Pu1=Nv+fu

(1)

式中：Pu1為柱腳的抗拔承載力計(jì)算值；Nv為自攻螺釘?shù)目辜舫休d力計(jì)算值；fu為混凝土與柱腳鋼管內(nèi)壁之間的滑動(dòng)摩擦力。

目前，對于自攻螺釘?shù)目辜舫休d力設(shè)計(jì)方法，各國規(guī)范各有不同，對比中國、美國以及英國規(guī)范中自攻螺釘?shù)目辜舫休d力設(shè)計(jì)方法，如表3所示。

表3 不同國家規(guī)范中自攻螺釘抗剪承載力的設(shè)計(jì)方法

另外，計(jì)算鋼管內(nèi)壁與混凝土之間的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，可根據(jù)彈性理論中的拉梅公式[13]，推導(dǎo)混凝土與鋼管的緊箍力：

(2)

式中：p為緊箍力(kN)；vs為鋼材的泊松比；vc為混凝土的泊松比；n為彈性模量；a為含鋼率；σc1為核心混凝土上產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力(Pa)。

國內(nèi)外學(xué)者就混凝土與鋼板的摩擦系數(shù)進(jìn)行了一些研究，本文為簡便計(jì)算，直接參考現(xiàn)有研究成果。徐有鄰[14]為研究鋼材與混凝土的膠結(jié)摩阻性能，進(jìn)行了不同鋼材與混凝土的膠結(jié)剪切試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：鋼材與混凝土之間的摩擦系數(shù)f根據(jù)鋼材表面的粗糙程度可大致取為0.20～0.60，故本文鋼管內(nèi)壁與混凝土之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取0.60。

fu=0.60p

(3)

3.2 柱腳抗壓承載力計(jì)算

由試件的破壞狀態(tài)可以看出，由于自攻螺釘達(dá)到極限承載力被剪斷后，連接件翼緣與圓鋼管壁接觸，承載力繼續(xù)升高，當(dāng)連接件型鋼翼緣被撕裂破壞后，柱腳徹底失去承載能力。因此，在進(jìn)行柱腳抗壓承載力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮自攻螺釘?shù)氖芗羝茐囊约斑B接件翼緣的壓彎破壞。即：

Pu2=Nv+fn

(4)

式中：Pu2為柱腳的抗壓承載力計(jì)算值；Nv為自攻螺釘?shù)目辜舫休d力計(jì)算值；fn為連接件型鋼翼緣的抗壓承載力計(jì)算值。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017—2017[15]，考慮到連接件鋼板在軸向壓力作用下容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，以及在軸向壓力作用下鋼板局部鼓曲后承載力有所下降，本文提出修正系數(shù)k=1.05，于是得到連接件鋼板壓彎破壞時(shí)承載力的修正公式：

(5)

式中：N為軸心壓力設(shè)計(jì)值(N)；Mx、My分別為同一截面處對x軸、y軸的彎矩設(shè)計(jì)值(N·mm)；An為構(gòu)件的凈截面面積(mm2)；Wn為構(gòu)件的凈截面模量(mm3)；γx、γy為截面的塑性發(fā)展系數(shù)，均取1.0。

3.3 承載力計(jì)算比較與修正公式

通過式(1)和式(4)并結(jié)合表3，對比各國規(guī)范下的柱腳承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值，如表4所示。由表中計(jì)算結(jié)果可知，中國規(guī)范GB 50018—2002設(shè)計(jì)計(jì)算的極限承載力與試驗(yàn)結(jié)果比較相近，美國規(guī)范AISI S100-12計(jì)算得到的極限承載力偏于保守，而英國規(guī)范BS 5950-5計(jì)算得到的極限承載力偏于不安全。由此可見，中國規(guī)范規(guī)定的自攻螺釘抗剪承載力設(shè)計(jì)方法更適用于此類冷彎薄壁光伏支架柱腳的極限承載力計(jì)算，且偏于安全。

另外，由于柱腳鋼材采用高強(qiáng)度合金鋼，考慮到高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度較高而且剛度較大，受力時(shí)變形較小，破壞時(shí)類似于脆性破壞，為保證柱腳承載力的安全可靠，需要對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼的材料強(qiáng)度性能指標(biāo)進(jìn)行修正，引入修正系數(shù)α對其進(jìn)行修正，則自攻螺釘?shù)目辜舫休d力修正公式為：

(6)

將修正后的中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如表4所示。由對比結(jié)果可知，修正后柱腳承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值較為接近，吻合較好。

表4 光伏支架柱腳承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，自攻螺釘被剪斷是冷彎薄壁光伏支架柱腳發(fā)生破壞的主要標(biāo)志，基于此，本文建立了柱腳承載力的修正計(jì)算公式，該方法可以較好地定量分析柱腳的承載力，可為實(shí)際工程中柱腳的設(shè)計(jì)與承載力計(jì)算提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)柱腳在服役時(shí)可能遭受的各類荷載效應(yīng)，利用該公式來選擇自攻螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)，從而保證柱腳滿足承載力設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文對冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳連接進(jìn)行了抗拔和抗壓受力性能試驗(yàn)，分析了柱腳連接在極限承載力作用下的破壞形態(tài)、極限承載力及變形特征，主要得出以下結(jié)論：

1) 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳抗拔極限承載力平均值為12.93 kN，破壞時(shí)，自攻螺栓首先發(fā)生剪斷破壞，上部連接件保持較好的性能并未發(fā)生破壞，柱腳下端圓鋼管內(nèi)部混凝土與圓鋼管之間發(fā)生相對滑移；

2) 冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳抗壓極限承載力平均值為27.50 kN，破壞時(shí)，自攻螺釘首先發(fā)生剪斷破壞，上部連接件翼緣與下端圓鋼管壁發(fā)生擠壓，造成連接件的翼緣擠壓撕裂破壞；

3) 無論是柱腳抗拔還是柱腳抗壓，柱腳連接破壞均系自攻螺釘被剪斷，導(dǎo)致鋼管內(nèi)混凝土被拔出或連接件翼緣擠壓撕裂破壞所致，因此，在進(jìn)行冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼柱腳設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)自攻螺釘?shù)某休d力設(shè)計(jì)；

4) 考慮到自攻螺釘?shù)目辜舫休d力、混凝土與鋼管壁的摩擦力以及連接件鋼板的抗壓承載力，提出了適用于冷彎薄壁高強(qiáng)度合金鋼光伏支架柱腳的抗拔和抗壓承載力的修正計(jì)算公式，試驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好，驗(yàn)證了該公式的有效性。