格构式钢柱抗侧向撞击性能的试验研究

崔娟玲，郭昭胜，王 蕊

（1.太原理工大学艺术学院，太原 030024；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024）

格构式钢柱抗侧向撞击性能的试验研究

崔娟玲1，郭昭胜2，王 蕊2

（1.太原理工大学艺术学院，太原 030024；2.太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024）

格构式钢柱常用于重型工业厂房的排架柱或高大的独立支柱，此类构件使用环境复杂性，极易遭遇侧向撞击荷载作用。为探明格构式钢柱的抗侧向撞击性能，利用DHR9401落锤式冲击试验机完成了6根格构式钢柱侧向撞击试验。试验中利用动态应变仪记录了不同冲击能作用下格构式钢柱的冲击力时程曲线，并获得了其残余破坏形态和塑性变形量。结果表明：格构式钢柱在侧向撞击荷载的作用下表现出良好的延性性能和抗冲击性能，其残余变形主要包括整体侧向弯曲变形和撞击部位的局部屈曲变形；其残余变形的变化与冲击能的变化呈线性关系。

格构式钢柱；侧向冲击；冲击能量；残余变形

格构式钢柱常作为截面高度较大的压弯构件被用于重型工业厂房的框架柱或高大的独立支柱。然而，由于工业建筑所处环境的复杂性，结构柱类构件在使用过程中可能遭受到各类非正常设计荷载，如厂区运输工具对柱子的意外碰撞、起重机起吊重物作业时对柱子的偶然撞击等。由于格构式钢柱一般由若干肢件和缀板（材）组合焊接而成，一旦遭遇局部撞击，必然引起截面各肢件内的应力重分布，其破坏机理相比实腹式结构更为复杂，损坏程度也将更为严重，极有可能造成巨大的生命财产损失。因此，对格构式钢柱受到侧向冲击荷载作用时的性能研究显得十分重要，进而对冲击受损的格构式钢柱的残余承载性能的研究也必将成为热点。

目前，国内外有关学者对钢管混凝土梁柱、钢筋混凝土梁柱、钢－混凝土组合梁及钢管节点等构件在侧向冲击荷载作用下的动力性能的研究已经较为成熟［1－4］。另可见少数关于钢梁在冲击荷载作用下的动力性能研究的报道。如Liu等［5－6］通过试验研究了钢和铝合金梁受到横向冲击荷载作用下的破坏和变形特征。试验中得出两种破坏模式：拉伸撕裂破坏和剪切破坏，还发现在支撑点附近冲击时梁的吸能能力增加，并考虑了材料应变率的影响。Li等［7］对中碳钢合金梁在冲击荷载下的响应和破坏进行了试验研究，得到了冲击速度为30～110m／s时的响应和破坏特征，并得到韧性拉伸断裂失效到剪切带失效的破坏模式过渡。魏薇等［8］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。霍静思等［9］对4根热轧H型钢梁进行了落锤撞击试验。崔娟玲等［10］完成了12根热轧H型钢在侧向冲击荷载作用下的冲击试验，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。而对于格构式钢柱在侧向冲击荷载作用下的动力响应尚未见相关报道。

本文采用太原理工大学自行研制的DHR9401落锤冲击试验机对6个两端铰接的格构式钢柱试件进行了侧向冲击试验，侧向冲击荷载针对钢柱的一个分肢作用，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格构式钢柱试件，可以继续开展钢柱剩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

综合考虑试验条件，本次试验共设计了6个格构式钢柱试件，试件的尺寸规格完全相同，所用钢材材质均为Q235B，柱肢件规格为4L50×5，中间缀板采用80 mm×100 mm×5 mm，两端缀板采用80 mm×150 mm×5 mm，钢柱整体截面尺寸为180 mm×180 mm，钢柱高度为1.44 m，上、下端板均采用20 mm厚方形钢板，钢板尺寸为220 mm×220 mm，上、下端板均与角钢和缀板之间满焊，角钢和缀板之间亦为满焊，端板上各设置4个螺栓孔（孔径21.5 mm），便于与专用支座铰接连接。试件的形式如图1所示。

图1 试件构造示意图Fig.1 details of specimen

本次试验采用钢柱两端铰接的约束边界条件，在相同边界条件下考虑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T表示试件，第二位数字为序号，从T－3到T－8共6个试件，每两个试件为同一冲击能量水平，表1中未出现试件T－1与T－2，该两试件为完好对比试件，用作受侧向冲击后的钢柱残余竖向承载力试验研究，将另文报道。冲击位置自上端板底边算起，h为试件高度。

试验支座采用Q345－B钢材制作，立板上设有4个螺栓孔，通过4个10.9级M20高强螺栓与试件端板相连，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。

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

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，分别对角钢和缀板各取两个标准试样，通过钢材拉伸试验测定钢材的力学性能指标（见表2）。

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

本试验采用太原理工大学自行研发的DHR9401落锤冲击试验机及试验装置完成，该设备由试验机架、滑轨、卷扬机、落锤、冲击力传感器、TDS420A数据存储示波器组成等主要部分组成。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203.9 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64 HRC的铬15制成，重25.5 kg，冲击头为平头，形状及尺寸如图2所示。本次试验采用的冲击加能量主要对应于低速冲击，冲击速度大体与厂区内车辆低速行驶或吊车起吊重物的运行速度相仿。（约10～15 km／h）。

图2 冲击头形状及几何尺寸参数Fig.2 The shape and size of pounding head

图3为试件现场安装场景，钢柱0.5 h高度处受冲击点如图4所示。试验时将落锤中心的落点位置选择在格构柱柱中的柱肢与缀板结合部位，且落在柱肢角钢的形心线上，这样可使冲击能量经由缀板较为直接地传递至下部柱肢，使构件同时发生相对明显的局部变形和整体挠曲变形，可为后续研究钢柱残余承载力提供技术条件。试验观测内容包括：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、后柱肢角钢外边缘的相对位置变化来考察试件的残余变形情况。具体方法为：采用高度游标卡尺分别量测试验前后各肢角钢形心线上5个测点距离试验刚性平台的高差值（单位为mm），将冲击试验前后的两次测量值作差，即得到钢件残余变形量，见图4。

图3 钢柱两端铰接约束条件下的试件安装实景Fig.3 The assembly diagram of test site of specimens

图4 格构式钢柱冲击点位置Fig.4 The impact point of latticed Steel column

图5 残余变形量测点位置Fig.5 Themeasure point of residual deformation

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和图7为6个格构式钢柱试件残余变形形态，其中黄色箭头给出了冲击方向和位置。可知侧向冲击作用下，试件发生了局部屈曲失稳变形和整体挠曲变形。格构式钢柱试件受到落锤的侧向冲击时，角钢1在形心处直接受到落锤的剧烈撞击，着力点处发生凹陷，部分动能瞬间转化为变形能，角钢肢件吸收能量后传向缀板，缀板受力后出现失稳，表现内向内侧失稳或向外侧失稳，并伴有轻度剪切变形，产生严重的平面外鼓曲（屈曲）。大部分冲击能量在这一过程中被耗散，但仍有一部分能量通过缀板传递至角钢4，导致试件发生一定程度的整体挠曲变形。

图6 侧向冲击后钢柱变形模式正视图（受冲击正面）Fig.6 Front view of deformationmodes of specimens （impacted frontage）

图7 侧向冲击后钢柱变形模式侧视图（受冲击侧面）Fig.7 Side view of deformation modes of specimens （impacted side face）

图8为钢柱中间截面的变形示意图。直接受到落锤冲击的角钢分肢，水平肢件的肢尖相对肢根向下凹陷，缀板跟随竖向肢件或外凸，或内凹，角钢由原先的直角截面变为钝角或锐角截面。外凸或内凹现象有一定的随机性图9（a）～图9（c）图分别为冲击高度为0.5 m、0.7 m、1.1 m时，构件的局部屈曲破坏形态，可以看出，冲击能量越高，肢件和缀板处出现的局部屈曲变形就越严重，经测量各试件受冲击面及侧面的最大凹凸变形量如表3所示。

图8 试件中截面残余变形示意图Fig.8 Sketch map of residual deformation on specimensmiddle Section

图9 试件局部残余变形Fig.9 Local residual deformation of specimens

表3给出了冲击试验前后各肢件形心线中间测点下挠量（相对试验刚性平台而言）。可知相同冲击能量作用下的两个试件的测点下挠程度基本相当；冲击能量越大，测点下挠量就越大。以肢1数据为例：1 000J对应的测点平均下挠值为10.08 mm，1 400J对应的测点平均下挠值为13.67 mm，2 200J对应的测点平均下挠值为24 mm，基本呈线性增长。

格构柱的四个肢件中，直接受到冲击的肢1的下挠值最大，其下部的肢4的下挠值次之，约为肢1的45%，另外两肢的数据则相对很小，绝对值在0.28～2.06 mm之间，且个别测点为上拱情况。这表明由于冲击点偏离构件截面形心线75.4 mm（见图4），造成构件在冲击荷载作用下出现了轻微的截面扭曲现象，四个分肢在抵抗冲击作用时发挥的作用大小不同。

试件T－5和T－8的冲击能量最小，二者受撞击处局部最大凹陷量分别为11.5 mm和11.5 mm。试件T－3和T－6的冲击能量稍大，二者受撞击处局部最大凹陷量分别为15.5mm和16.5mm。试件T－4和T－7的冲击能量最大，二者受撞击处局部最大凹陷量分别为27.5 mm和25.5 mm。可看出局部凹陷变形量随冲击能量的增大在增加，且同样能量大小作用下的两个试件的凹陷变形量基本相当，说明试验具有较好的重复性。

表3 中间测点下挠量Tab.3 M easuring deflection under intermediate point

图10给出了T－3、T－5、T－7肢件1形心上各测点在受到冲击后的相对变形量，可知三种冲击能量作用下，冲击能量越大，相对变形量越大。试件均为跨中受冲击部位下挠量最大，两端受到支座的约束，变形值接近于0，不同能量下试件上测点2和测点4的下挠量相差较小，表明构件的变形损伤分布在一定长度范围内。

图10 肢件1上测点的相对变形量Fig.10 The relative deformation ofmeasuring points on limb

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，并伴有轻微的截面扭曲现象，冲击能量和变形的关系基本呈线性。应注意到，同样能量下的试件变形数据存在差异，究其原因，包括测量误差、落锤的实际冲击位置不严格落在标记的中心线上，试件本身的材质不均匀和试件本身的加工制作误差等。

2.2 冲击力时程曲线

图给出了冲击试验获得的试件冲击力时程曲线。各试件的冲击力时程曲线沿时间轴基本上都表现为5个阶段，即：第一峰值段、第一下降段、峰值段、平台段、下降段，具有较明显的特征，但在不同冲击能量的作用下，曲线在各阶段表现出不同的特点。

第一峰值段：在开始阶段，落锤与试件突然接触，二者之间的接触力瞬间上升并达到冲击力峰值，这一点对于不同冲击能量作用下的试件都是一致的。

第一下降段：各试件受到落锤的冲击后，被冲击区瞬间发生塑性挤压变形，这一点可从肢件1着力点处的冲击压痕看出，该集中受力区域的金属材料在极短的时间内屈服－强化－流塑，刚度下降，消耗了一小部分动能，落锤冲击力最低衰减为第一次峰值的约25%～35%。该阶段的时间很短，约1.0～2.0ms

第二峰值段：在前一阶段的局部金属受冲压变形后，此时还有大部分的动能未被耗散，试件以肢件和缀板的局部屈曲变形和整体挠曲变形来耗散这部分能量，在此过程中出现了第二次峰值。两次峰值大小相近，但对冲击能量小的试件，该峰值略高于第一次峰值，如试件T－5、T－8，对冲击能量大的试件，该峰值略低于第一次峰值，如试件T－4、T－7，

平台段与下降段：经历过第二次峰值后，肢件及缀板发生大变形消耗冲击能量的同时，落锤与试件速度逐渐降低，冲击力经历短暂的平台值后持续降低，这与试件发生严重的屈曲变形有关。对冲击能量小的试件，平台段不很明显，如试件T－5、T－8，对冲击能量大的试件，平台段相对明显，如试件T－4、T－7。总体大约经过15～25 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。

本文冲击力时程曲线的变化规律与Fujikake等［11］试验得的曲线变化规律基本一致，证明了本试验的有效性。

表4 试件的冲击力测量结果Tab.4 Themeasured results of specimens

表4给出了试件在不同冲击能量下的试验结果。在侧向冲击下，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，但差异不很明显。试件的冲击时间最小为16.67 ms，最大为23.51 ms，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。由于6个格构式钢柱试件的几何参数、构造形式及约束边界一致，故其冲击力平台值变化不大，稳定在52.44～57.18 kN之间。

图11 试件在侧向冲击下的冲击力时程曲线Fig.11 The time history curves of impact force for specimens

2.3 侧向冲击作用下格构柱抗冲击性能初步分析

由表4试验结果可知，不同冲击能量作用下，相同边界条件下的试件具有较稳定的冲击力平台值，冲击力峰值变化幅度也不大，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。根据构件变形损伤可知，冲击能量主要由肢件1和肢件4及两肢件之间的竖向缀板的变形消耗。将钢柱视为两端铰接的简支梁，并分别将冲击力平台值的平均值54.27 kN和冲击力峰值的平均值94.96 kN作为跨中集中荷载按静载形式加到格构式试件上时，可分别求得静载作用下截面边缘的应力为298.3 MPa和521.9 MPa。此计算用到的截面惯性矩I取肢件1和肢件4及两肢件之间的竖向缀板的组合截面绕中轴的惯性矩。可知冲击力平台值对应的截面边缘应力298.3 MPa约等于表2中的钢材屈服强度试验值，而冲击力峰值对应的截面边缘应力521.9 MPa已明显超过表2中的钢材抗拉（压）强度试验值，这就说明了本次试验所采用的冲击能量下，受冲击部位的构件钢材出现屈服、流塑，局部材料瞬间强化，并达到极限抗拉（压）强度，表现为冲击点处的局部变形和整体弯曲变形的耦合。因此，对于冲击荷载作用下的钢柱试件，由于所施加的冲击能量和冲击速度不同，需要各自以不同的冲击作用响应来保持平衡状态，从而避免发生破坏，钢柱虽经历了很大的变形，但焊缝和肢（板）件均保持完好，未发生撕裂破坏，试件端部保持完好且未产生明显局部变形。在本文试验参数范围内，格构式钢柱均表现出良好的抗冲击性能。

3 残余变形与冲击能量的关系

图12给出了试件受冲击肢的局部残余变形（局部凹陷量）与整体残余变形（整体下挠量）与冲击能量的相关关系直方图，局部凹陷量和整体下挠量取同一冲击能量下两个试件的试验平均值。可以看出，钢柱残余变形均随着冲击能量的增大而增大，且基本呈线性增大规律。

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

4 结 论

本文进行了6根两端铰接格构式钢柱试件，在3种不同冲击能作用下的侧向撞击试验，在本文研究的参数范围内得到了以下一些结论：

（1）在侧向撞击荷载作用下，格构式钢柱试件除了产生明显的局部残余变形，还产生了一定量整体侧向弯曲残余变形；受撞击区域的角钢水平肢件出现了严重的局部凹陷（屈曲），竖向肢件也发生了严重的局部凹陷或凸出，部分冲击能量在冲击区域附近被耗散，部分冲击能量以试件整体变形被耗散。格构式钢柱试件表现出较好的延性和抗撞性能，没有出现焊口处的脆断现象。

（2）格构式钢柱试件具有较稳定的冲击力平台值，冲击能的变化对其平台值的影响较小。但冲击力峰值与冲击的时间随着冲击能量的增大而增加。

（3）本试验工况下，冲击能对构件残余变形影响显著。其局部残余变形和整体弯曲残余变形均随着冲击能量增大，且成线性关系。

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Tests for dynam ic behavior of a latticed steel column under lateral im pacts

CUIJuan-ling1，GUO Zhao-sheng2，WANGRui2
（1.College of Arts，Tai Yuan University of Technology，Tai Yuan 030024，China；2.College of Architecture and Civil Engineering，Tai Yuan University of Technology，Tai Yuan 030024，China）

Lattice steel column is commonly used in tall detached columns or bent frame columns of heavy industrial workshop building，it is easy to bear lateral impacts under complex environments.In order to study the performance of a latticed steel column's anti-lateral impact，six latticed steel column specimens were tested under lateral impact with a DHR9401-Drop-Weight-Impact-Tester.Their impact force time-histories and residual deformations were recorded during test courses.With the test data，the dynamic behaviors of the steel columnswere analyzed and discussed.The results showed that the latticed steel columns have good anti-impact ability and ductility under lateral impacts；their residual deformations include the overall lateral bending deformation and the local buckling deformation at the impacted position；the variation of their residual deformationswith impact energy reveals a linear relation.

latticed steel column；lateral impact；impact energy；residual deformation

TU392.1；V216.5+5

A

10.13465／j.cnki.jvs.2015.21.023

太原理工大学2013年校青年基金（2013Z038）；国家自然科学基金项目（51408395）

2015－02－06 修改稿收到日期：2015－05－06

崔娟玲女，硕士，讲师，1978年生

王蕊女，副教授，1979年生