冷弯薄壁C型钢组合桁架梁受力性能试验研究

雷超,张佳琪,韩建强,2,付秀艳,唐江明

(1. 华北理工大学 建筑工程学院,河北 唐山 063210;2. 河北省地震工程研究中心,河北 唐山 063210;3. 邯郸建工集团有限公司,河北 邯郸 056001)

引言

随着我国绿色建筑发展的不断推进,轻钢结构开始展露头角。冷弯薄壁型钢作为新型建筑材料,在轻钢建筑中仍有较大的发展空间,因此对冷弯薄壁型钢的受力性能进行分析具有一定程度的工程价值[1]。目前,国内已开展了大量的冷弯薄壁钢管的研究工作。陈健[2]利用有限元软件建立了一个具有20个自由度的四节点扁壳单元。周旭红[3]的近期研究工作表明冷成型承压构件、端部斜杆、垂直斜杆的有效长度均为1.0 L,其他构建等效长度为0.9 L,其中L为构件几何长度。管宇[4]以"C"形底面与"U"形边梁及压型钢板的连接形式为对象进行了相关研究,该研究可以有效提高自攻式螺丝在楼板间的位移性能。周立红[5]等人认为在高 b/t的情况下,高强钢的部分锁止有效截面对构件的承载力起着重要作用。卜良涛[6]采用板件粘贴法对板件进行加固,有效避开了传统焊法中的明火,提高了焊法的安全性和舒适性。结果表明,贴装钢板后,梁的承载力及极限承载力均有明显的提高,而贴装钢板后,其承载力亦有所提高。谢阳[7]针对结构件老化存在设计隐患的问题采用加强梁的支撑和减小梁跨径的方法,改变了梁受拉方式,从而提高了梁受力。刘华刚[8]等人通过对二次荷载钢梁及其连接板的弯曲试验,认为梁的承载力随连接板厚度的增大而增大;但是,在某一厚度范围内,梁的承载能力并没有得到明显的改善。

1 试验设计

1.1 试件设计

本试验探究无缀板和不同缀板数量条件下桁架梁承载能力和变形情况,以期得到合理科学的桁架梁组合形式,从而为工程实际应用提供参考。

根据规范[9]和工程实际具体情况,选用S550-AZ150型号的冷弯薄壁C型钢,该型号钢材表面采用镀锌处理从而达到抗腐蚀的效果,其屈服强度为550 MPa。试验梁的结构设计见图1,其几何参数分别为长2 400 mm,高320 mm。且为保证腹杆的端部受力后,不与上下弦杆相接触从而保证安全,特将竖向腹杆尺寸设计为316 mm,斜腹杆尺寸设计为433 mm,桁架梁具体参数见表1.

表1 桁架梁部件尺寸

图1 桁架梁设计示意图(单位:mm)

1.2 加载方案

为了保证试验的正常开展在正式实验之前采用预加载来测试实验设备是否正常运行。每次预加载最大载荷小于最大承载力的30%,并分三级进行加载。在正式实验环节试验力以1 kN为梯度逐渐递增,每次加载保持120 s以获得稳定试验结果。

1.3 材料力学性能试验

拉伸试验样件尺寸参数参考《金属材料拉伸试验室温试验方法》(GB/T228-2010)确定[10]。

为减小实验误差,按照国标制备3组样件,分别标记为0.8-1、0.8-2和0.8-3,样件制备完成以后使用WDW-100 kN微控电子万能试验按照上述参数开展拉伸试验。图2所示为拉伸前的试件,拉伸断裂样件如图3所示。

图2 拉伸前的试件 图3 拉伸后的试件

经试验测得3组样件极限抗拉强度、屈服强度和弹性模量如表2所示,自攻螺钉抗剪试验的数据如表3所示。

表2 材料的强度和弹性模量

表3 螺钉的受力性能

2 组合桁架梁受力性能试验

2.1 加载方案和装置

无缀板的组合桁架梁加载装置如图4所示,通过千斤顶对桁架梁进行外力加载,分配梁下部焊接两个半环形凹槽,间距0.8 m,凹槽下各放置一个柱形滚轴,压在梁加载点位置的垫片上。力传感器连接数据采集器,加载速率和荷载大小由读数控制。桁架梁挠度的数据采集系统由LVDT位移传感器和strain book 系统构成,外力加载点和挠度测量点如图5所示。

图4 试验加载装置

图5 测点布置图

2.2 试验现象与破坏形式

3个冷弯薄壁型钢组合梁分别为:L1为不加缀板的桁架梁,L2为单侧附加缀板,L3为双侧都附加缀板的桁架梁。

组合桁架梁L1加载至5.94 kN时,斜拔的螺钉被剪断,停止加载,图6为L1的破坏特征图;单侧附加缀板的组合桁架梁L2加载至10.6 kN,垫片位置上弦杆腹板发生弯折,承载力下降,构件破坏,图7为L2破坏时的局部特征;双侧附加缀板的组合桁架梁L3加载至22.8 kN时,附加缀板发生局部屈曲,图8为L3破坏时的局部特征。

图6 L1的破坏特征图 图7 L2的破坏特征图

图8 L3的破坏特征图

试验所得各试件极限承载力如表4所示。试验表明,试验梁L3加固效果更好。同样情况下,单侧缀板的梁比无缀板的梁的承载力提高78.45%左右,双侧缀板的加固相比于单侧缀板的加固桁架梁极限承载力可提高115.09%左右。三根梁的荷载挠度曲线如图9所示。

表4 梁的极限承载力

图9 梁的荷载挠度曲线

3 冷弯薄壁C型钢组合梁数值分析

为验证试验的准确性,使用SAP2000软件建立组合桁架梁L1、L2和L3模型并导入ABAQUS进行有限元仿真分析。在建模中由于无法真正模拟实际试验时的自攻螺钉连接方式,所以模拟中采取耦合(即焊接)的约束方法。仿真分析中实验材料参数参考S550冷弯薄壁型钢,弹性模量设置为E=189.5×103MPa,泊松比μ取0.3屈服应力σ=569.5 MPa,密度为7 850 kg/m3,并且设置为各向同性材料。图10、图11、图12分别为桁架梁L1、L2、L3受力变形云图。图13为3根梁的数值分析荷载-跨中挠度曲线。

图10 桁架梁L1受力变形云图

图11 桁架梁L2受力变形云图 图12 桁架梁L3受力变形云图

图13 梁的荷载-跨中挠度曲线数值分析结果

4 结论

(1)单侧缀板比裸骨架梁的极限承载力提高60.8%,双侧缀板加固比单侧缀板加固的桁架梁极限承载力提高了138%左右,工程中可根据实际受力特征,采取适当的加强措施;

(2)组合桁架梁的受力变形过程分为3个阶段,第一阶段为弹性阶段,荷载-位移曲线近似为斜直线,第二阶段为弹塑形阶段,第三阶段为破坏阶段,曲线呈下降趋势。无附加缀板的冷弯薄壁C型钢组合梁一般发生自攻螺钉的剪断破坏,附加缀板的冷弯薄壁C型钢组合梁一般由于缀板局部屈曲导致结构整体破坏;

(3)由试验的荷载-应变关系曲线可看出,冷弯薄壁C型钢组合梁随着附加缀板数量的增加,梁的承载力提高明显,刚度越来越大。