热轧H 型钢柱侧向冲击试验研究

崔娟玲，郭昭胜，王 蕊，裴 畅

（1．太原理工大学，太原 030024；2．山西省电力勘察设计院，太原 030001）

H型钢柱被广泛地应用于多、高层建筑、工业建筑、设备管道支架及各类构筑物等结构中，尤以框排架结构和门式刚架结构形式最为常见。然而由于荷载的复杂性和随机性，结构构件在使用过程中可能遭受到各种非正常设计荷载，如各类交通运输工具对结构的意外碰撞、起重机作业时起吊重物的偶然撞击、恐怖袭击中的爆炸冲击等。由于H型钢柱截面开展，刚度小，自重轻，一旦遭遇撞击，其损伤和破坏程度将比钢筋混凝土结构和钢混组合结构更为严重，极有可能造成巨大的生命财产损失。因此，随着热轧H型钢柱在工程建设中的广泛应用，对其受到侧向冲击荷载作用时的性能研究显得十分重要，进而对冲击受损的热轧H型钢柱的残余承载性能的研究也必将成为热点。

目前，侧向冲击荷载作用下的结构动力性能研究大多集中在钢筋混凝土梁柱、钢管混凝土梁柱、钢－混凝土组合梁及钢管节点等领域［1－4］，而关于热轧H型钢构件在冲击荷载作用下的动力性能研究的报道还不多见。霍静思等［5］对4根热轧H型钢梁进行了落锤撞击试验，通过记录冲击力时程曲线和跨中变形，得出试件的挠曲变形为正弦半波曲线，研究表明：冲击能量不同时，冲击力峰值和冲击力时程曲线变化趋势基本相同；冲击能量相同时，落锤质量越大跨中变形发展越大。魏薇等［6］对H型钢在低温下的冲击韧性进行了研究，主要从钢材的生产工艺上分析加入某些元素对H型钢冲击韧性的影响。PEI等［7］等运用Abaqus有限元软件对热轧HW100×100×6×8型钢在侧向冲击荷载作用下的力学性能进行了参数分析，研究了冲击能、冲击物质量、冲击速度等参数对H型钢构件的动力响应的影响。其分析表明：冲击能越大，冲击力时间延长，冲击力峰值增大，而平台值基本不变；试件侧向残余变形量与冲击能量呈线性关系，当冲击能相同时，冲击物质量的大小对试件侧向残余变形量的影响不大，但冲击力峰值将增加。

本文采用太原理工大学研制的DHR9401落锤冲击试验机分别对6个固－简约束边界条件的热轧H型钢柱试件和6个翼缘下支垫刚性平台约束边界条件的热轧H型钢柱试件进行了侧向冲击试验，侧向冲击荷载针对钢柱强轴作用，且暂不考虑钢柱轴向力作用对钢柱抗冲击性能的影响。通过记录冲击力时程曲线、冲击力值、柱中局部残余变形和整体残余变形量，研究了钢柱在3种不同冲击能量作用下的动态抗冲击力学性能。利用试验中冲击受损的热轧H型钢柱试件，可以继续开展钢柱残余承载性能的试验研究及分析工作。

1 试验概况

1.1 试件设计

结合工程实际并综合考虑试验条件，本次试验共设计了12个热轧H型钢柱试件，试件的规格完全相同，均为 HW100×100×6×8，材质为 Q235－B，高度为1．5 m，上、下端板均采用16 mm厚方形钢板，材质为Q345－B，上、下端板均与H型钢柱之间满焊，且下端板与钢柱之间设置2个三角形小加劲肋。试件的形式如图1所示。

图1 试件构造示意图Fig．1 Details of specimen

本次试验考虑了两种不同的约束边界条件：第一种：H型钢柱底端固定、上端铰支形式的固－简约束边界条件；第二种：H型钢翼缘下支垫刚性平台边界条件。由于在实践中往往出现钢柱的翼缘和腹板已发生较严重的局部屈曲变形，而钢柱柱身仍保持较好的直立性，未见较大整体侧向弯曲的情况，因此专门设计第二种边界条件，以实现在钢柱不产生整体弯曲的情况下仅仅发生局部屈曲变形的模拟，这为考察侧向冲击荷载作用下热轧H型钢柱的翼缘和腹板发生较大的局部屈曲变形和钢柱剩余承载力之间的量化关系奠定了技术条件。

每种边界条件各有6个试件，同种边界条件下考虑3个冲击能量水平。试件试验参数如表1所示。试件编号中首字母的L和G用于区别边界条件，G表示固－简约束边界条件，L表示翼缘下支垫刚性平台边界条件；第二位的L、M、H分别表示低、中、高3个冲击高度；末尾数字1、2为同工况下的试件编号。冲击位置自上端板底边算起，h为试件高度。

试验中为实现固－简约束边界条件，设计了专用固定支座，支座采用Q345－B钢材制作，立板上设有8个螺栓孔，通过8个10．9级M20高强螺栓与试件下端板相连，固定支座底板通过4个10．9级M30高强螺栓与试验刚性平台锚固连接。

试验前，按国家标准《金属拉伸试验试样》GB6937－86、《钢材力学及工艺性能试验取样规定》GB2975－82的有关规定，分别对H型钢的翼缘和腹板取样，进行拉伸试验测定。表2给出了钢材的力学性能指标。

表1 试件参数表Tab．1 Parameters table of test specimen

表2 试件钢材的基本力学性能参数Tab．2 Themechanical properties of steel

1.2 试验装置与测试内容

本试验采用的DHR9401落锤冲击试验机及试验装置如图2所示，主要由试验机架、滑轨、卷扬机、落锤、冲击力传感器、TDS420A数据存储示波器组成。DHR9401落锤试验机最大有效落差达12．60 m，相应的冲击速度可达15．7 m／s，能够满足大范围内低速冲击试验的要求。

本次试验冲击物总重为150．04 kg，由落锤和冲击头以及冲击力传感器组成。冲击头由硬度为64HRC的铬15制成，重25．5 kg，冲击头为平头，形状及尺寸如图3所示。

图2 DHR9401落锤冲击试验机及冲击头参数Fig．2 Drop hammer impact tester

图3 冲击头形状及几何尺寸Fig．3 The shape and size of pounding head

图4给出了固－简约束边界条件安装方式，钢柱固定端与专用固定支座连接，简支端直接放置在直径50 mm的钢棒上。图5给出了支垫刚性平台边界条件安装方式，在试件翼缘下方支垫了刚性平台梁，以限制试件的整体挠曲变形，同时为防止冲击过程中试件跳动移位，在试件两端部加临时盖板。试验测试内容包括：①冲击力时程曲线和冲击力值；②试件受冲击部位的局部残余变形量；③试件中部的整体残余变形量。

本文以冲击试验前后柱中翼缘外边缘的相对位置变化作为试件的局部残余变形量δ，以冲击试验前后柱中截面位置的纵轴线相对位置变化作为试件的整体残余变形量Δ，单位均为mm，见示意图6，试验时采用高度游标卡尺量测。

图4 固－简约束边界条件下的试件安装实景Fig．4 The assembly diagram of test site of specimens

图5 下翼缘支垫刚性平台梁试件安装实景Fig．5 The assembly diagram of test site of specimens lay on rigid beam

2 试验结果与分析

2.1 试件的破坏形态及残余变形量

图6 残余变形量示意图Fig．6 The schematic diagram of residual deformation

图7为6个固－简约束边界试件在柱中0．5 h处受冲击后的最终变形形态，同时给出变形值。除试件G－L1外，其余试件都发生了较为明显的局部屈曲变形和整体挠曲变形，且变形随着冲击能的增加而增大。试件G－L1的冲击能量最小，试件整体未见明显变化，仅直接受冲击部位发生微小局部残余变形（最大变形仅为1．71 mm）。该组试件受到冲击时，上翼缘受到落锤的剧烈撞击，冲击部位翼缘发生凹陷，部分动能瞬间转化为变形能，上翼缘吸收能量后传向腹板，腹板并没有产生明显局部屈曲，而是直接传向下翼缘，试件发生整体挠曲变形。图8（a）给出了6个翼缘下支垫刚性平台约束边界试件的变形模态及变形值，显然与图7中试件的变形模态差别很大。在冲击力作用下，直接受到冲击的上翼缘和腹板出现明显的局部屈曲变形，而试件由于受到下部刚性平台的支承约束无法发生整体变形，试件基本呈直线形。这组试件受到冲击时，直接受冲击部位的上翼缘产生局部凹陷，并伴有轻度剪切变形，冲击能量仅在冲击区域附近耗散，导致冲击点下方的腹板区域吸收剩余冲击能后产生严重的平面外鼓曲（屈曲）。

图8－（b）（c）（d）图分别为1．67m、2m、2．5m高度处冲击时产生的局部屈曲破坏形态，可以看出，冲击能量越高，腹板和翼缘处出现的局部屈曲变形就越严重。

图7 固－简支试件侧向冲击后的变形模式Fig．7 Deformation modes of specimens under fixed-simple boundary condition

综上所述，冲击高度对试件的残余变形影响很大，冲击高度越高，冲击能量越大，试件的局部残余变形和整体残余变形就越大。应注意到，对于同一冲击工况的两个试件，跨中挠度也会存在较大的差值，但总体变形趋势不受影响。如试件G－H1和G－H2。产生的差异原因是多方面的，包括测量误差、落锤的实际冲击位置未严格落在标记的中心线上，试件本身的材质不均匀和边界条件不完全一致等。

图8 翼缘下支垫刚性平台约束边界试件的变形模式Fig．8 Deformation modes of specimens laid on rigid beam

2.2 冲击力时程曲线

表3给出了试件在不同冲击能量下的试验结果。在侧向冲击下，翼缘下支垫刚性平台约束边界试件的冲击力平台值明显高于固－简约束边界试件，前者在230～250 kN之间，而后者仅在150 kN左右。相同边界条件下的试件具有较稳定的冲击力平台值，由此可知：一旦当各个试件的截面、长度、受约束情况均确定时，试件抵抗冲击荷载的能力并不因冲击能量的不同而改变。同时可以看出，冲击高度对冲击力峰值有直接影响，冲击高度越大，冲击力峰值越大，各试件的冲击力峰值有一定的差异。固－简约束边界试件的冲击时间最小为 10．1 ms，最大为 14．46 ms，明显长于翼缘下支垫刚性平台梁约束边界试件（介于5．02～7．82 ms之间），冲击时间的总体趋势是随着冲击高度的升高逐渐延长，同一冲击高度的冲击时间相差并不大。

表3 试件的冲击力测量结果Tab．3 Themeasured results of specimens under fixed-sim ple boundary condition

从图9中固－简约束边界试件的冲击力时程曲线可以看出，在开始阶段，快速降落的冲击落锤与试件接触瞬间，二者之间的接触力急剧上升并达到冲击力峰值，此时落锤一部分动能转化成试件的变形能，被冲击区域刚度下降，落锤和试件短暂分离，冲击力迅速衰减为零。首次接触瞬间试件获得较大的速度，落锤被弹起后又落下，试件弹性恢复时二者再次接触，冲击力再次达到峰值，两次峰值大小相近，故而冲击力时程曲线出现两个峰值。经过两次波动后，冲击力进入稳定阶段，试件以变形消耗冲击能量，落锤与试件速度逐渐降低。大约经过10 ms，冲击力进入卸载阶段，最后落锤与试件的速度降低直到静止，冲击力最终下降到零点，完成整个冲击过程。

图10给出了翼缘下支垫刚性平台约束边界试件的冲击力时程曲线。冲击力曲线经历了峰值段、平台段和下降段，具有较明显的特征。落锤和试件接触后冲击力剧烈上升达到峰值，在翼缘和腹板发生大变形后，冲击力经历短暂的平台值后持续降低，这与跨中翼缘和上部腹板发生严重的屈曲变形有关。图10（a）、（b）、（c）分别比较了相同冲击高度下钢柱试件的冲击力时程曲线，同一冲击高度的冲击时间相差不大，试件的冲击力平台值在230～250 kN之间，较为稳定。图10（d）表明，冲击高度越大，冲击力峰值越大，冲击时间随着冲击高度的升高逐渐变长。

图9 固－简支试件在侧向冲击下的冲击力时程曲线Fig．9 The time history curves of impact force for specimens under fixed-simple boundary condition

2．3 两种边界条件下的冲击力时程曲线比较

图11给出了相同冲击能量下的固－简约束边界试件和翼缘下支垫刚性梁约束边界试件的冲击力时程曲线，可以看出，两者在冲击力平台值和冲击时间方面有很大的差异，前者达到冲击力峰值后，大约经历3 ms进入平台阶段，而后者达到冲击力峰值后，不到1 ms即进入平台阶段，约3 ms后迅速下降，整个冲击力响应过程非常短暂。后者的冲击时间相对前者的冲击时间要短很多，冲击力平台值却比前者高一倍左右。这一试验现象说明在冲击荷载作用下，固－简约束边界试件的整体抗弯刚度相对较小，以向下发生整体大变形来缓和落锤与试件之间的冲击力，产生较低的冲击力平台值，同时延长了冲击时间，表现出较好的延性。而翼缘下支垫刚性梁的约束边界试件受到刚性梁的限制，无法产生较大整体变形，只能依靠受冲击部位的翼缘和腹板的严重局部屈曲变形来消耗冲击能量，试件与落锤间的碰撞显得尤为剧烈，形成短暂的较高的冲击力平台值。

图10 支垫刚性平台梁试件的冲击力时程曲线Fig．10 The time history curves of impact force for specimens laid on rigid beam

图11 相同冲击能量下不同约束试件的冲击力时程曲线Fig．11 The time history curves of specimens with the same impact energy under different constraints

3 残余变形与冲击能量的关系

图12 残余变形与冲击能的关系Fig．12 The relationship between residual deformation and impact energy

图12给出了两种边界条件试件的残余变形与冲击能的相关关系直方图，其中对翼缘下支垫刚性梁约束边界试件，残余变形取同一冲击能量下两个试件的柱中局部残余变形的平均值δ—；对固－简约束边界试件，残余变形取同一冲击能量下两个试件的柱中整体弯曲残余变形的平均值Δ—。可以看出，柱中残余变形均随着冲击能量的增大而增大，边界条件对于柱中残余变形的影响很大。

4 结 论

本文对6个固－简约束边界条件的热轧H型钢柱试件和6个翼缘下支垫刚性平台边界条件的热轧H型钢柱试件分别进行了3种不同冲击高度的侧向冲击试验，在本文研究的参数范围内得到了以下一些结果：

（1）在侧向冲击荷载作用下，固－简约束边界条件试件除了产生较大整体弯曲残余变形外，还产生了一定量的局部残余变形；翼缘下支垫刚性平台边界条件试件则在受撞击区域的上翼缘和腹板上产生了严重的局部屈曲，并伴有轻度剪切变形，冲击能量仅在冲击区域附近耗散，试件没有出现明显的整体变形。热轧H型钢柱试件表现出较好的延性和抗撞性能。

（2）在侧向冲击荷载作用下，边界条件的改变对试件的冲击力和冲击时间均有显著影响。固－简约束边界条件试件具有较低的冲击力平台值和较长的冲击响应时间，而翼缘下支垫刚性平台边界条件试件则具有较高的冲击力平台值和较短的冲击响应时间。

（3）同种边界条件下的试件具有较稳定的冲击力平台值。试件抵抗冲击荷载的能力并不因冲击能量的不同而改变。冲击时间的总体趋势是随着冲击能的增大而延长。

（4）两种边界条件下试件的局部残余变形和整体弯曲残余变形均随着冲击能量的增大而增大，边界条件的改变对于柱中变形的影响非常明显。

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