冷弯厚壁钢管截面不同部位材料特性分布模型

2016-08-13沈祖炎温东辉李元齐马越峰

同济大学学报（自然科学版） 2016年7期

沈祖炎，温东辉，李元齐，马越峰

(1. 同济大学土木工程学院，上海 200092； 2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092；3. 太原学院建筑工程系，山西太原 030032；4. 上海宝钢型钢有限公司，上海 200050)

沈祖炎1,2，温东辉1,3，李元齐1,2，马越峰4

摘要：对取自30种不同截面、不同厚度、不同钢材型号、不同厂家生产的冷弯厚壁矩形和方形钢管的568个试件进行了材料性能试验研究.结果表明：焊缝部位的屈服强度和极限强度相对于邻边均有提高；角部屈服强度提高系数随型钢中心线长与弯角内径之比的增大而增大，而各参数对极限强度的影响较小；焊缝两邻边间的强度差异很小.基于研究结果，提出了冷弯矩形和方形钢管屈服强度、极限强度、强屈比和伸长率沿截面的分布模型.当相应冷弯型钢截面的梁、柱强度和稳定分析中需要考虑冷弯效应的影响时，可以应用此分布模型.

关键词：冷弯厚壁钢管；材性试验；屈服强度；冷弯效应；材料特性

冷弯型钢在国际上是建筑钢结构的主要用材之一，已被广泛应用于低多层工业厂房、住宅及商用建筑等[1-3].与热轧型钢相比，冷加工可以方便地得到各种截面形状，进而获得令人满意的强度重力比[4].但是，冷加工使冷弯型钢的力学性能与冷弯前的钢板有了显著区别：提高了屈服点和抗拉强度，屈服强度与极限抗拉强度之比会增加；降低了材料的塑性、冲击韧性和延伸率；沿型钢截面各点产生了大小不等的冷弯残余应力.

国外对冷弯构件的研究较早，主要集中于厚度在6 mm以下的冷弯型钢构件.Karren等[5-6]通过试验研究发现，弯角部位的屈服强度有较大提高，并且认为角部屈服强度的增加取决于母材的强屈比和弯角内半径与平板厚度之比.Abdel-Rahman 等[7]总结了国外1997 年以前关于冷弯构件材性的试验结果，提出了针对国外钢材和当时冷加工工艺的冷弯材料分析模型，但主要适用于厚度在6 mm以下的槽型冷弯型钢和采用先圆后方加工工艺得到的方管.金昌成[8]在计算冷弯型钢棱角部分屈服强度公式基础上得到全截面屈服强度及设计强度的计算公式，原则上对厚薄壁冷弯型钢均适用，但由于当时国内厚壁冷弯型钢的试验数据较少，对厚壁冷弯型钢的准确度尚需进一步验证.

冷弯硬化过程使钢材屈服强度显著提高，钢结构设计中合理地考虑屈服强度的提高，将会减少材料用量，实现更好的经济效益.国内外规范[9-12]允许利用冷加工引起的强度提高，并给出了适用于6 mm以下薄壁型钢考虑冷弯效应时的全截面屈服强度计算公式.对6 mm以上冷弯钢管的冷弯效应，不同学者[13-14]进行了一定的研究，但仍比较有限，尚需就不同厂家、钢材等级、截面形式、成型方式及厚度范围进行具有一定代表性的试验.为此，本文对壁厚为8～16 mm，边长为86～500 mm，钢号为Q235B和Q345B以及不同厂家生产的“直接成方”冷弯厚壁钢管的平板部位、弯角部位和焊缝部位进行系统的材性试验研究.基于试验结果，给出了材料特性沿钢管整个截面的分布模型，为这类钢管进一步的理论分析和工程应用提供了基础.

1　冷弯厚壁钢管材性试验

1.1试件选取

材性试验的试件在冷弯钢管上的位置如图1所示.其中，试件F1～F3取自平板，试件W1包含焊缝，试件C1～C4取自角部.钢管考虑不同截面尺寸和强度等级，每种钢管重复取样2或3次，进行材性试验的钢管规格如表1所示.共加工平板试件288个，弯角试件280个，合计568个.方、矩形钢管为上海宝钢型钢有限公司和武钢集团汉口轧钢厂生产的Q235B和Q345B冷弯钢管.本文试验中所选用的方、矩形钢管采用“直接成方”工艺，即由母材卷板经辊轧压弯成型后，用单缝高频对焊而成，高频焊缝均位于矩形钢管的短边.在选择钢管时，综合考虑了钢材强度、钢管形状、截面尺寸及壁厚等因素.

图1　材性试件的位置

表1　材性试验的钢管规格

所有试件均按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[15]规定制作.

方、矩形钢管的试件命名原则为：A/B/C-钢材等级-截面类型代号-钢管截面长边尺寸-厚度-试件编号.其中，A、B、C代表重复试件；钢材等级Q1、Q2分别表示试件取自Q235B和Q345B的钢管；截面类型代号S、R分别代表方钢管和矩形钢管；编号W1、F1～F3、C1～C4分别表示带焊缝试件、无焊缝平板试件和角部试件，典型试件命名原则见图2a.平板试件沿钢管长度方向选取，试件尺寸如图2b所示，图中过渡段圆弧半径根据现有加工器械取R=30～45 mm,t为管壁实际厚度，弯角部位的材性试验采用沿钢管长度方向选取的圆弧试件进行试验，见图2c.

a 典型试件命名原则

b 平板/焊缝材性试件

c 角部材性试件

1.2试验过程

平板试件的试验在上海金艺材料检测技术有限公司的Zwick/Roell Z400E材性试验机上进行，试验速率按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[15]的相关规定采用.试验采用平板夹具，并用电子引伸计全程记录标距段伸长量，以得到各试件从拉伸直至破坏全过程的荷载-应变关系，进而反映出材料的应力-应变关系.试验过程及断口见图3和4.

a颈缩阶段b断裂阶段

图3平板试件试验过程

Fig.3Test procedure of flat coupons

弯角试件的试验在同济大学建筑工程系实验室的材性试验机上进行.为了受力均匀及便于夹持，试验前将弯角试件的两端打磨平整.采用在试件中点处内外表面各粘贴一个应变片来记录试件的应变值.弯角试件的试验过程如图5所示.试件的断口情况如图6所示.

a平板试件断口b带焊缝试件断口

c 同一截面所有平板试件

a颈缩阶段b断裂阶段

图5弯角试件试验过程

Fig.5Test procedure of corner coupons

图6　弯角圆弧试件断口

1.3应力-应变曲线

a 平板试件

b 弯角试件

2　材性试验结果分析

2.1焊缝邻边平板

强屈比γp是衡量钢材强度储备的一个系数，强屈比越大，钢材的安全储备愈大[17].从表2可见，F1/F3边均值的强屈比对Q235B和Q345B钢分别为1.383 和1.389.图8给出F1/F3边强屈比随型钢中心线长度(取型钢截面积与其厚度的比值)与弯角内径之比L/R、宽厚比b/t以及弯角内径与厚度之比R/t的关系.

由图8可得：① 对Q235B和Q345B钢材，冷弯型钢平板部位强屈比达不到规范给定的1.58和1.48值;② 冷弯型钢平板部位强屈比与截面宽度和周长有关，且随着宽度和周长的增大而增大.这是因为截面越宽表示钢管尺寸越大，此时进行冷加工比小截面的钢管更容易，从而对截面造成的影响更小.因此，屈服点提高的程度小一些.

表2　焊缝两邻边强度差异系数及均值

a γp随L/R的变化

b γp随b/t的变化

c γp随R/t的变化

2.2焊缝对边平板

随b/t的变化

Fig.9Relation between strength enhancement factors of the sides opposite the weld and width to thickness ratiob/t

从图9分析可得：①焊缝对边平板屈服强度提高系数随宽厚比的增大而减小；②焊缝对边平板极限强度除了1个异常点外，其他比邻边极限强度提高很少，最大值仅为5.0%，均值为1.1%.可以认为焊缝对边平板的极限强度与邻边的相同，并且与宽厚比无关.

2.3带焊缝平板

2.4角部

从图10～12分析可得：①角部屈服强度提高系数随型钢中心线长与弯角内径之比L/R的增大而增大，与弯角径厚比R/t和型钢中心线长与厚度之比L/t的关系不明显；②角部极限强度的提高与弯角径厚比R/t和型钢中心线长与厚度之比L/t关系不明显.

2.5分布模型

结合材性试验研究结果，可以提出截面上不同位置的强度及伸长率等力学性能的分布模型.

方、矩形钢管截面的屈服强度、极限强度、强屈比和伸长率沿截面的分布模型见图13.图中，字母b和h分别表示钢管截面的宽和高，R是弯角的内径，其计算公式为R=1.2t，r是弯角的外径.由图可见，角部的屈服强度和极限强度比焊缝邻边平板处均有较大提高，提高率分别为42%和15%；而伸长率明显降低，降低率为44%.图中fy和fu是焊缝邻边的屈服强度和极限强度.焊缝邻边的屈服强度fy和极限强度fu在钢管成型过程中也会受冷弯效应的影响，较原材料的值有所提高，由于无法得到与试件一一对应的原材料，因此无法得到与每根试件焊缝邻边屈服强度fy和极限强度fu的提高值.但是考虑到材性试验的试件取自30根不同截面和2个大型主要生产钢管厂所生产的钢管的不同部位，合计144个试件，具有相当的数量和很好的代表性，因此fy的提高系数可由试件的fy平均值与原材料屈服强度fym平均值的比值得到.焊缝邻边屈服强度fy的平均值可由表2得到，Q235B的fy=330.82 MPa，Q345B的fy=382.92 MPa.原材料屈服强度fym的平均值可由表4[19]得到，Q235B的fym=301.9 MPa，Q345B的fym=388.7 MPa.这样，焊缝邻边屈服强度fy冷弯效应的提高系数Q235B为1.095 8，Q345B为1.000 0.另外，由于角部屈服强度提高，导致角部强屈比减小为1.12.各截面的伸长

表3　带焊缝边、焊缝对边及角部强度相对于焊缝邻边的提高系数

随R/t的变化

随L/R的变化

随L/t的变化

a 屈服强度

b 极限强度

c 强屈比

d 伸长率

率具体值见表5，其中δ(F)、δ(W)、δ(C)分别表示F1/F3边、W边和角部的伸长率.

表4　钢材屈服强度数据统计

3　结论

(1)在方、矩形冷弯钢管加工过程中，两邻边处于完全对称的位置，受到的冷加工程度大致相同，可认为焊缝两邻边间的强度差异很小，可用两邻边的平均值作为平板部位的代表值.

(2)对Q235B和Q345B钢材，冷弯型钢平板部位强屈比达不到规范给定的1.58和1.48值.

表5　伸长率汇总

(3)焊缝对面平板屈服强度提高系数随宽厚比的增大而减小；焊缝对面平板的极限强度与邻边的相同，并且与宽厚比无关.

(4)焊缝的屈服强度和极限强度提高系数的平均值分别为38.63%和14.88%.

(5)角部屈服强度提高系数随型钢中心线长与弯角内径之比L/R的增大而增大，与弯角径厚比R/t和型钢中心线长与厚度之比L/t的关系不明显；角部极限强度的提高与这3个参数无关.

(6)基于试验结果，得到了方、矩形钢管截面的屈服强度、极限强度、强屈比和伸长率沿截面的分布模型.

参考文献:

[1]Mohebbi S, Mirghaderi R, Farahbod F,etal. Experimental work on single and double-sided steel sheathed cold-formed steel shear walls for seismic actions [J]. Thin-Walled Structures, 2015, 91(6): 50.

[2]Acharya S R, Sivakumaran K S, Young B. Reinforcement schemes for cold-formed steel joists with a large web opening in shear zone:an experimental investigation [J]. Thin-Walled Structures, 2013,72(11): 28.

[3]李元齐，李功文，沈祖炎，等. 冷弯厚壁型钢考虑冷弯效应的强度计算方法研究[J].建筑结构学报，2015, 36(5):1.

LI Yuanqi, LI Gongwen, SHEN Zuyan,etal. Modification method for yield strength of cold-formed thick-walled steel sections considering cold-forming effect [J]. Journal of Building Structures, 2015, 36(5):1.

[4]于炜文, 董军, 夏冰青. 冷成型钢结构设计 [M]. 3版. 北京: 中国水利水电出版社, 2003.

YU Weiwen, DONG Jun, XIA Bingqing. Cold-formed steel design [M]. 3rd ed. Beijing: China WaterPower Press, 2003.

[5]Karren K W. Corner properties of cold-formed steel shapes [J]. Journal of the Structural Division, ASCE,1967, 93(1): 401.

[6]Karren K W, Winter G. Effects of cold-forming on light-gage steel members[J]. Journal of the Structural Division, ASCE, 1967, 93(1): 433.

[7]Abdel-Rahman N, Sivakumaran K S. Material properties model for analysis of cold-formed steel members[J].Journal of Structural Engineering, ASCE, 1997, 123(9):1135.

[8]金昌成.冷弯型钢的冷作强化及其利用[J]．建筑结构学报,1994, 15(2):43.

JIN Changcheng. Strain hardening of cold formed steel and its utilization [J]. Journal of Building Structures, 1994, 15(2):43.

[9]中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].北京：中国计划出版社，2002.

The Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. GB 50018—2002 Technical code of cold-formed thin-wall steel structures[S]. Beijing:China Planning Press,2002.

[10]American Iron and Steel Institute. AISI S100—2007 Specification for the design of cold-formed steel structural members [S]. Washington D C: American Iron and Steel Institute,2007.

[11]The Joint Standards Australia/Standards New Zealand Committee. AS/NAS 4600∶2005 Cold-formed steel structures [S]. Sydney: Standards Australia/ Standards New Zealand, 2005.

[12]Britain Standard Institute. BS EN 1993-1-6∶2006. Eurocode 3: design of steel structures [S]. London: Britain Standard Institute,2006.

[13]Guo Y J, Zhu A Z, Pi Y L,etal. Experimental study on compressive strengths of thick-walled cold-formed sections [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2007, 65(5): 718.

[14]Hu S D, Li L X, Wang X Y,etal. Experimental study and design calculation for compressive strengths of cold formed thick-wall sections[J]. Materials Research Innovations, 2011, 15(Suppl.1): S450.

[15]中国国家标准化管理委员会. GB/T 228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

Standardization Administration of the People’s Republic of China. GB/T 228.1—2010 Metallic materials-tensile testing Part 1: method of test at room temperature[S]. Beijing:China Standard Press, 2010.

[16]温东辉. 冷弯厚壁钢管压弯构件抗震性能研究[D].上海：同济大学，2014.

WEN Donghui. Research on seismic performance of cold-formed thick-walled steel tubular beam-columns[D]. Shanghai: Tongji University, 2014.

[17]沈祖炎, 陈扬骥, 陈以一. 钢结构基本原理[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

SHEN Zuyan, CHEN Yangji, CHEN Yiyi. Fundamental principle of steel structures[M]. Beijing:China Architecture & Building Press, 2005.

[18]赵晓林, Wilkinson T, Hancock G. 冷弯钢管计算与设计[M]. 蒋首超，赵晓林,译. 北京：中国建筑工业出版社,2007.

ZHAO Xiaolin, Wilkinson T, Hancock G. Cold-formed tubular members and connections: structural behaviour and design[M]. Translated by JIANG Shouchao, ZHAO Xiaolin. Beijing:China Architecture & Building Press, 2007.

[19]《钢结构设计规范》GB 50017—2003钢材修编组. 国产建筑钢结构钢材性能试验、统计分析及设计指标的研究[R].北京：《钢结构设计规范》GB 50017—2003钢材修编组，2012.

Steel Revision Group of Code for Design of Steel Structures GB 50017—2003. Research on material property, its statistical analysis and design values of Chinese construction steel [R]. Beijing: Steel Revision Group of Code for Design of Steel Structures GB 50017—2003, 2012.

收稿日期：2016-05-03

基金项目：国家自然科学基金(51178330)

通讯作者：温东辉(1982—)，女，工学博士，主要研究方向为冷弯型钢结构抗震性能. E-mail:wendh9@163.com

中图分类号：TU391；TU392.3

文献标志码：A

Distribution Patterns of Material Properties for Cross-section of Cold-formed Thick-walled Steel Rectangular Tubes

SHEN Zuyan1,2, WEN Donghui1,3, LI Yuanqi1,2, MA Yuefeng4

(1. College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China; 2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Department of Structural Engineering, Taiyuan University, Taiyuan 030032, China; 4. Shanghai Baosteel Steel Co., Ltd., Shanghai 200050, China)

Abstract：Five hundred and sixty eight test coupons taken from thirty cold-formed thick-walled steel square and rectangular tubes with different sizes of sections, thickness of plates, grades of steel and different manufacturers were tested to investigate the effects of cold-forming process on the material properties of different parts of sections. The test results indicate that the cold-forming effects have obvious influence on the strength and ductility of cold-formed thick-walled sections. The difference of material properties between two adjacent plates connected to the plate containing weld can be ignored. The yield and tensile strength of weld portion and corner parts are enhanced compared with the adjacent plates. The yield strength enhancement factors of corner parts increase with the increase of the ratio of the length of centerline to the inside diameter of corners, but the enhancement factors for tensile strength are independent on the respective parameters. Based on the investigation, distribution patterns of yield strength, tensile strength, tensile to yield ratio and percentage elongation of cold-formed thick-walled steel rectangular hollow sections were proposed, which can be used for strength and stability analysis of corresponding beams and columns, while the cold-forming effects are to be taken into account.

Key words：cold-formed thick-walled tubular; material test; yield strength; cold-forming effect; material property

第一作者：沈祖炎(1935—)，男，教授，中国工程院院士，主要研究方向为钢结构. E-mail:zyshen@tongji.edu.cn