轴心受压不等边角铝构件整体稳定试验研究

张 颖，王元清，卜宜都，王中兴，范圣刚，谢 军

轴心受压不等边角铝构件整体稳定试验研究

张 颖1，王元清1，卜宜都1，王中兴1，范圣刚2，谢 军3

(1. 清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084；2. 东南大学土木工程学院，南京 211189；3. 江苏科迪建设工程质量检测有限公司，南京 211189)

铝合金具有质量轻、耐腐蚀等优点，在建筑结构中有着广泛的应用，不等边角形铝合金可以应用在塔架和桁架结构当中．由于铝合金材料弹性模型小，铝合金结构在使用过程中变形更加明显，构件的稳定问题尤其突出．为研究轴心受压不等边角形铝合金构件的非线性屈曲特征和稳定承载力，开展了轴心受压不等边角形铝合金试件的静力加载试验．14个不等边角形6061-T4挤压型铝合金试件包含两种截面尺寸，试验过程包括材性试验、初始缺陷测量和轴心受压不等边角铝构件的稳定试验，对试件屈曲模态、极限承载力和和荷载位移曲线进行了观察和测量．将试验结果与欧洲铝合金结构设计规范的设计计算结果进行对比，结果表明：对于不同长细比的轴心受压不等边角铝试件，弯曲屈曲模态和扭转屈曲模态的相互关系影响试件的极限承载力，长细比越大，扭转屈曲模态占比越低，弯曲屈曲模态占比越高．我国的铝合金结构设计标准在修订过程中应充分考虑弯扭屈曲模态的影响．

不等边角铝；轴心受压；稳定试验；屈曲模态；设计方法

随着钢结构在国内外的广泛应用，钢材的锈蚀问题日渐突出[1]，为了延长结构的寿命，降低结构使用过程中维护的成本，使用新的结构材料来替代钢材已经成为当前钢结构领域的一大研究趋势．铝合金材料除了具有耐腐蚀的性能外，还有自重轻、强度范围广、可挤压成型和外观优美等优点，也广泛应用于建筑领域[2]．角形铝合金构件是结构中一种常用的结构杆件，其广泛应用于塔架结构[3]、桥梁结构、空间桁架结构等结构当中[4]．

由于铝合金弹性模量较小[5]，其结构和构件的变形和稳定问题更为突出，而轴心受压是结构构件最基本的受力形式．目前，国内现行规范《铝合金结构设计规范》(GB 50429—2007)[6]缺少对于不等边角铝构件整体稳定设计计算的相关规定．国内外对铝合金轴心受压柱子的研究大部分是针对工字型截面、方形截面、圆管截面和等边角形截面等对称截面类型的轴心受压构件展开[7-9]．与单轴对称的等边角形截面不同，不等边角形截面为双轴非对称截面，其稳定理论和设计方法更加复杂[10]．同时，由于铝合金材料的非线性、应变强化特性和延性差等特点，不等边角铝的结构稳定性能与不等边角钢有着一定的区别[11-12].

为研究轴心受压不等边角铝构件的稳定性能，本文针对两种截面的14根6061-T4铝合金轴心受压不等边角形构件进行了试验研究，并将试验结果和欧洲铝合金结构设计规范的相关计算结果进行对比，分析了屈曲模态对构件稳定性能的影响，为规范中相关设计规定的改进修订提供了依据．

1 材性试验

试验构件包括两种截面：U70-21(长肢宽70mm，短肢宽21mm，肢厚5mm)和U60-40(长肢宽60mm，短肢宽40mm，肢厚5mm)．其中U表示不等边角铝，之后的数字表示不等边角形截面的长肢长度和短肢长度，单位为mm．

对于每种截面的不等边角铝试件，分别切取3个材性试件进行室温单调拉伸试验．根据《金属材料拉伸试验：第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1—2010)[13]的相关规定，确定拉伸试件的取样位置和试样尺寸，如图1所示．此材料力学性能试验在清华大学液压万能试验机上进行，试验设备如图2所示．

通过材性试验，观察到所有试样断口处有颈缩现象，但颈缩现象不及低碳钢明显，图3为试样拉断后的照片，断口截面不平整．材性试件的力学性能结果见表1，其中为试样的弹性模量，0.2为残余应变为0.2%时的应力值，即名义屈服强度，u为极限应力值，u是断面伸缩率，为材料应变硬化系数，根据Ramberg-Osgood模型[14]，由式(1)和(2)计算得出，其中0.1为残余应变为0.1%时的应力值．试件材料的应力-应变关系曲线如图4所示．

图1 材性试件取样位置和尺寸

图2 材性试验设备

图3 破坏后材性试样

表1 材性试验结果

Tab.1 Key measured properties from material tensile tests

图4 材料应力-应变曲线

由材性试验可见，两种截面的材料力学性能存在很大差异．试验用铝合金为挤压成型，由不同模具、不同批次生产的铝合金材料性能存在差异．6061-T4铝合金和普通低碳钢相比，在拉伸过程中没有明显的屈服阶段，材料不能简化为理想的弹塑性模型，在计算过程中需按照典型的非线性材料模型进行处理．

2 初始缺陷测量

轴心受压杆件的初始缺陷对其整体稳定承载力有较大的影响．铝合金挤压型材初始缺陷较小，但在加工运输等过程当中仍会造成构件的初弯曲，在试验和工程使用过程中不是理想的直杆．为考虑其影响，此文使用经纬仪测量方法[15]测量了所有试件的几何缺陷．每根角铝试件测量2个肢边和1个肢背，肢背测量两个方向，共测量4条棱边．每条棱边测量中间3个长度四等分点和两端截面连线的偏离值2、3、4，将各个测量棱边最大偏离值记为1、2、3、4，如图5所示，图中实线图形表示不存在初始几何缺陷的理想截面位置，虚线图形表示存在初弯曲或初扭转的实际截面位置．

测量得到各条棱边的初始缺陷，通过几何关系计算得到该不等边角铝截面绕强轴弯曲值、绕弱轴弯曲值和扭转角度，如图5所示．初始缺陷测量结果如表2所示，表中试件编号最后一个数字表示每种截面试件的长度排序，R表示对部分试件进行的重复试验．

图5 初始缺陷测量示意

表2 试件初始缺陷测量结果

Tab.2 Measured results of initial geometric imperfections

3 柱子试验

3.1 试件设计

不等边角铝试件为铝合金6061-T4挤压型材，是铝合金6061系列强硬化合金．两种角铝截面类型分别为U60-40和U70-21．其中U60-40截面类型试件包含3种长度，U70-21截面类型试件包含7种长度．

不等边角形截面为双轴非对称截面，在轴向荷载的作用下，发生弯扭屈曲失稳．为充分研究不同屈曲模态的特性，本文使用弹性分析软件GBTUL[16]对试件长度进行选取．通过GBTUL得到两种截面试件在不同长度下的各种屈曲模态的占比，对于长度为1～3000mm的试件，屈曲模态主要为绕弱轴的弯曲屈曲和扭转屈曲．为了研究不等边角铝试件的两种屈曲模态的相互作用和对试件稳定性能的影响，本文在屈曲模态占比变化明显的长度范围0～1000mm进行试件长度的选择，涵盖了绕弱轴弯曲屈曲为主到扭转屈曲为主的不同屈曲模态．图6所示为两种截面的弹性屈曲模态占比示意．

图6 弹性屈曲模态占比示意

14根轴心受压不等边角铝试件的实测尺寸如表3所示，其中为轴压试件的长度，为长肢宽度，为短肢宽度，为截面角肢的厚度．测量结果均取试件两端及3个四等分点处的平均值．

表3 试件尺寸测量结果

Tab.3 Measured dimensions of the specimens

3.2 试验装置

使用CMC5105万能试验机对轴心受压不等边角铝试件进行加载，试验加载装置见图7．加载速度为0.1mm/min．由于不等边角铝试件截面为非对称截面，截面形心和截面剪心不重合，弯扭方向不定，因此为了保证轴压试件的两端在任意方向上发生转动，本文采用双刀铰支座进行约束，支座示意图如图8所示．为了防止试件在轴压试验过程中端部与支座之间发生滑动，根据试件的几何尺寸在支座上板铣出1cm深的凹槽，将试件端部卡进凹槽当中进行固定，不同截面的试件的凹槽位置不同，以保证试件截面的几何中心和双刀铰支座支点重合．

图7 试件加载装置

图8 双刀铰支座

在试验加载过程中，在跨中截面布置应变片和位移计测量试件的变形，如图9所示．试件的跨中位置黏贴5个应变片S1～S5，其中长肢粘贴3个，位于肢尖、肢背和中间位置处，短肢粘贴2个，位于肢尖和肢背处．试件跨中位置布置3个位移传感器．

图9 试验测点布置

3.3 试验结果

所有试件的破坏模式均为弯扭屈曲，部分试件屈曲模态如图10所示．其中，13个试样绕轴发生明显的弯曲变形，1个试件U70-21-5绕轴弯曲，扭转变形明显，而不同于具有相同截面尺寸和长度的试件U70-21-5-R．这种现象的出现是由于几何初始缺陷的影响，试件U70-21-5的初始缺陷形状与其破坏模式相同．

图10 破坏形态

典型的荷载-跨中位移曲线如图11所示，荷载-跨中应变曲线如图12所示．图11(a)和图12(a)表示了试样U60-40-2的弯曲为主的弯扭屈曲模态，图11(b)和图12(b)表示了试样U70-21-5的扭转为主的弯扭屈曲模态．对于每种截面的不等边角铝试件，随着长度的增加，扭转变形在弯扭屈曲模态中所占比例减少，弯曲变形在弯扭屈曲模态中所占比例增加．表4列出了所有轴心受压不等边角铝试样的弯扭屈曲极限承载力test．

图11 典型试件荷载-跨中位移曲线

图12 典型试件荷载-跨中应变曲线

表4 试验和计算结果

Tab.4 Summary of the test and computational results

4 试验结果分析

不等边角铝构件截面形状为双轴非对称，轴心受压柱破坏时发生弯扭屈曲失稳．EC9规定，对于轴心受压双轴非对称截面构件，根据弹性弯扭屈曲临界荷载计算其换算长细比，带入Perry公式(4)和(5)进行计算．而针对不等边角铝截面，规范在附录I.4中给定了直接计算其长细比的公式计算方法，避免在设计过程中求解三次方程从而提高结构设计的效率．试件的规范设计结果如表4所示，EC9,FT为EC9弯扭屈曲承载力设计值，图13(a)为试验结果与EC9弯扭屈曲柱子曲线的对比图．其中u为极限承载力．对比结果显示，试验值与设计值相差较大，在设计应用范围内，构件长细比越大，设计结果越不准确，无法保证设计结构的安全性．

EC9对于不等边角铝弯扭屈曲换算长细比的计算方法中，主要考虑截面形状对扭转失稳临界值的影响，将构件长度的影响纳入甚微．因此，同一截面不同长度构件计算得到的弯扭屈曲换算长细比值相差不大，与试验结果不符．由试验现象可知，对于长细比较大的轴心受压不等边角铝构件，弯曲屈曲模态所占比重较大，扭转屈曲模态所占比重较小，构件长度对其稳定承载力具有直接的影响．

为进一步探究轴心受压不等边角铝的屈曲模态和设计承载力的关系，本文又将试验结果与EC9弯曲屈曲承载力设计值进行对比，计算试件绕最弱轴弯曲得到的最大弯曲长细比，并在Perry公式中考虑有效截面面积，计算结果见表4，EC9,F为EC9弯曲屈曲承载力设计值，图13(b)为试验结果与EC9弯曲屈曲柱子曲线的对比图．对比结果显示，对于长细比较大的试件，试验值与设计值相差不大，对于长细比较小的试件，规范相应方法设计值严重低估了试件的极限承载力．

图13 试验结果与规范设计方法对比

因此，对于大长细比的不等边角铝轴压试件，屈曲模态以弯曲屈曲为主，EC9中弯曲屈曲设计值与实际承载力相差不大，随着长细比的减小，试件屈曲模态中弯曲屈曲所占比重降低，扭转屈曲所占比重升高，EC9中弯曲屈曲计算方法不再适用．不等边角铝构件整体稳定承载力设计应综合考虑弯曲和扭转相互作用的影响．

5 结 语

本文对两种截面的铝合金不等边角形试件进行了轴心受压整体稳定试验，得到了14个试件的试验数据．通过GBTUL对试件长度进行选择，得到不同屈曲模态下的试验现象．试验过程包括材性试验、初始缺陷测量和试件的轴心受压稳定试验，对试件屈曲模态、极限承载力和和荷载位移曲线进行观察和测量，为后期研究中有限元建模分析提供有效的试验依据.

将试验结果与欧洲铝合金结构设计规范EC9进行对比，对于同一截面不同长度的不等边角铝构件，屈曲模态的变化需要对应不同形式的设计方法，EC9中针对不等边角铝的弯扭屈曲设计方法需要进一步改进．在本文的后续研究中，将对轴心受压不等边角铝试验进行有限元模拟并参数分析，得到适用于不同屈曲模态的设计方法，为我国铝合金结构设计标准的修订提供依据．

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Experimental Investigation on Overall Stability of Aluminium Alloy Unequal-Leg Angle Section Columns

Zhang Ying1，Wang Yuanqing1，Bu Yidu1，Wang Zhongxing1，Fan Shenggang2，Xie Jun3

(1. Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of Ministry of Education of China，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2. School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China；3. Jiangsu Kedi Construction Engineering Quality Inspection Co.，Ltd.，Nanjing 211189，China)

Aluminium alloy has been widely used in the construction industry due to its high strength-to-weight ratio，good corrosion resistance，and visual effect. Aluminium alloy columns with unequal-leg angle sections can be used in transmission towers，bridges and truss structures. Owing to the nonlinearity，strain hardening behaviour，and limited ductility of the material，the stability problem of aluminium alloy columns is prominent，and the struc-tural behaviour of aluminium alloy unequal-leg angle section columns may differ significantly from that of their steel counterparts. Fourteen aluminium alloy extruded unequal-leg angle section columns，including two cross sections were tested to investigate their overall stability under axial compression. Prior to the test，geometric imperfection measurements and material tests were conducted. In the test，the failure modes，stability resistance，as well as load-deformation responses were identified. The ultimate resistance values derived from the tests were adopted to evaluate the applicability of the current codified standards. The interaction between flexural and torsional buckling modes are different for different column slenderness，which affect the load-carrying capacities for larger slenderness ratio，the flexural buckling mode proportion is larger compared with the torsional buckling mode. The development of applica-ble design proposals and further investigation into buckling modal participation for pin-ended extruded aluminum alloy unequal-leg angle section columns are required.

aluminium alloy unequal-leg angle section；axial compression；stability experiments；buckling modal；design provisions

TU391

A

0493-2137(2020)12-1236-07

10.11784/tdxbz202003047

2020-03-24；

2020-04-14.

张 颖（1996—  ），女，博士研究生，zhangyin18@mails.tsinghua.edu.cn.

王元清，wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn.

高等学校博士学科点专项科研基金(优先发展领域)资助项目(20110002130002).

Supported by the Special Research Foundation for Doctoral Discipline Points in Colleges and Universities(Priority Development Areas) (No.20110002130002).

(责任编辑：许延芳)