高性能钢材轴压构件整体稳定性能研究

魏凌江

（河源市天源水利水电工程咨询有限公司，广东 河源 517000）

1 引言

复合型高性能钢材具有强度高、稳定性强等优点，常被制为工字形钢柱应用于实际工程中，为规范其设计及使用，许多专家学者针对其受压性能和稳定性开展研究。

冉红东等人以激光焊接不锈钢为研究对象，对其较小轴心抗压试验，并且结合数值模拟，修正稳定性计算系数。沈乐等人以钢管混凝土短柱为研究对象，开展轴压试验，研究其整体的稳定性和抗压性能。徐善华等人以H型钢短柱为研究对象，研究其承载能力的变化趋势。王飞等人利用有限元软件，分析轴力对U 形加劲板极限承载力的影响。王宇豪等人利用有限元软件，分析延性指标对预应力钢-木组合圆形柱力学性能的影响。

以工字形钢柱为研究对象，修正其几何初始缺陷，分析其在受压情况下的整体稳定性，研究不同荷载作用下，不同截面尺寸对其位移、转角及应变的影响。

2 试验方案

此研究以工字形钢柱为研究对象，其屈服强度为460 MPa，分析不同截面尺寸下，其整体稳定性，6 种工字形钢的相关尺寸参数如表1 所示。B 为试样截面宽度，H 为试样截面高度，tf和tw分别为试样截面钢板厚度，L0为试件长度。

表1 钢柱尺寸参数表

此研究采用的钢板厚度分别为10 mm和14 mm，其力学性能如表2所示。

表2 钢板力学性能表

由于试样在制造过程中存在一定的误差，为保证试验结果的准确性，采用激光水平投射仪对试件的尺寸进行测量，以得出试样的相关尺寸参数，根据初始弯曲量和初偏心量，计算得到试件的集合初始测量值，其值如表3 所示。其中，v1、v2、v3和v0为试件的初弯曲幅值，ex和ey分别为x、y方向的偏心量，e为试件的几何初始缺陷，L为试件长度。

表3 试件的几何初始缺陷表

3 试验结果与分析

此研究中试验破坏形式均为整体失稳，其竖向位移较大，在移除荷载后，试样有一定程度的恢复，呈弹性变形趋势。为研究试样所受荷载与其位移之间的关系，分别分析其横向位移与轴向位移与施加荷载之间的关系。

结果表明随着轴向和横向位移的增大，试样所受的荷载呈先增大后减小的趋势。在试样发生横向变形的初期，其变形量较小，且承受的荷载较大，随着横向位移的增大，试样发生失稳现象，其横向位移迅速增大，且所受荷载减小，即发生破坏。对于轴向位移而言，轴向位移较小时，其荷载呈线性趋势增长，随着轴向位移的增大，其所承受的荷载发生突变，随着轴向位移的增大而减小。不同试样的位移-荷载曲线变化趋势总体一致，但是其数值的大小有所差异，其曲线变化趋势表现为弯曲失稳状态。

为研究试样的受扭情况，选取试件1 和试件为研究对象，分析试件在受力过程种柱端转角及其应变的变化情况。

可知，1 试样与2 试样的转角-荷载曲线变化趋势一致，试样的右端转角对应的最大荷载大于试样的左端荷载对应的最大荷载。在变形初期，柱端承受的荷载增长速度较大，其增长趋势接近于线性增长，随着柱端转角的增大，试样所承受的荷载逐渐减小，当柱端转角为2.50°左右时，试样1所承受的荷载显著减小，且其转角有微弱的回缩趋势。当桩端转角为3.00°左右时，试样2所承受的荷载发生突变，显著减小，且其柱端转角有回缩趋势，其回缩量大于试件1的回缩量。

随应变的增大，试样沿截面的相对位置逐渐减小。加载结束的应变变化量较大，50%稳定承载力试验值和100%稳定承载力试验值的应变变化量较小。其中，100%稳定承载力试验值作用下的应变变化量大于50%稳定承载力试验值作用下的应变变化量。

由于试样1的长细比较小，其应变变化量大于试件2的应变变化量，但是两种试样的应变变化量均较小，以上两种试样的破坏形式均为弹性失稳。

4 结论

此研究以工字形钢柱为研究对象，修正其几何初始缺陷，分析其在受压情况下的整体稳定性，研究不同荷载作用下，不同截面尺寸对其位移、转角，及应变的影响，结论如下：①随着轴向和横向位移的增大，试样所受的荷载呈先增大后减小的趋势。在试样发生横向变形的初期，其变形量较小，且承受的荷载较大，随着横向位移的增大，试样发生失稳现象，其横向位移迅速增大，且所受荷载减小，即发生破坏。对于轴向位移而言，轴向位移较小时，其荷载呈线性趋势增长，随着轴向位移的增大，其所承受的荷载发生突变，随着轴向位移的增大而减小。②1试样与2试样的转角-荷载曲线变化趋势一致，试样的右端转角对应的最大荷载大于试样的左端荷载对应的最大荷载。在变形初期，柱端承受的荷载增长速度较大，其增长趋势接近于线性增长，随着柱端转角的增大，试样所承受的荷载逐渐减小，当柱端转角为2.50°左右时，试样1所承受的荷载显著减小，且其转角有微弱的回缩趋势。