高強薄壁冷彎卷邊槽鋼柱承載力計算方法★

金夢飛 劉昕露 呂 呈 孫德發

(1.嘉興學院，浙江嘉興 314001; 2.嘉興學院結構工程研究所，浙江 嘉興 314001)

冷彎薄壁型鋼作為一種高效、經濟、環保型建筑材料，具有截面形狀合理、力學性能良好、鋼材利用率高等特點，隨著我國鋼產量的不斷增加，以及國家對于鋼結構住宅產業的大力扶持，冷彎薄壁型鋼住宅體系在國內蓬勃的發展，在建筑行業尤其是輕鋼房屋建設中得到日益廣泛的應用。冷彎薄壁卷邊槽鋼是冷彎薄壁型鋼住宅中的常用構件之一，由于受初始缺陷、長細比、材料特性等諸多因素影響，使得冷彎薄壁卷邊槽鋼受壓構件的極限承載力理論計算比較復雜，國內外學者主要采用試驗和有限元方法對其進行研究［1-3］，但也提出了許多簡化的實用設計方法。簡化設計方法中，有效寬度法應用最普遍，已成為各國設計規范的基礎［4］。近年來，美國Schafer和Pekoz［5］提出了直接強度法，與有效寬度法相比，直接強度法是全截面采用有效應力設計板件，且考慮板件局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲相關影響。目前，該方法已經被大量的試驗數據所證實，并已被列入北美規范NAS 2004［6］中，大有取代有效寬度法的趨勢［7］。但直接強度法需要依賴有限條或有限元程序計算構件全截面的局部屈曲和畸變屈曲臨界應力，尚無簡單的解析方法，導致了計算上的不方便。本文將在試驗的基礎上，結合有效寬度法和直接強度法，對兩端簡支冷彎薄壁卷邊槽鋼柱極限承載力分別采用我國規范GB 50018-2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范、歐洲規范 Eurocode3(EN 1993-1-3)和北美規范(AISI S100-2007)附錄中的直接強度法進行計算與分析，以檢驗我國規范的適用性。

1 試驗概況

試件材料為Q345，截面外輪廓尺寸為 C140×43×13×1.0(中線尺寸為 C139×42×12.5 ×1.0)，長為 1 000 mm，每組測試三個試件。試驗采用液壓試驗機，試件直接置于試驗機上下兩端板之間，基本滿足兩端約束條件，試件加載裝置和試件變形見圖1。試件承載力平均值為28.219 kN。理論計算取fy=345 N/mm2，f=300 N/mm2，E=206 000 N/mm2。

圖1 加載裝置和試件變形圖

2 有效寬度法

2.1 中國規范GB 50018-2002的規定［8］

計算系數α=1.0，壓應力分布不均勻系數ψ=1，板件受壓區寬度其中 σ1=φf。

腹板:

翼緣:

受壓板件的板組約束系數k1:

當 ξ≤1.1 時:

當 ξ＞1.1時:

軸心受壓構件的穩定承載力:N=φAef。

當考慮板組約束系數，翼緣 k1=0.781，腹板 k1=1.280，其有效截面面積為121.64 mm2，計算承載力為26.872 kN;當不考慮板組約束系數，翼緣 k1=1.0，腹板 k1=1.0，其有效截面面積為 120.85 mm2，計算承載力為26.697 kN。

2.2 Eurocode 3(EN 1993-1-3)的規定［9］

考慮卷邊加勁區域剛度影響，采用截面中線尺寸，截面有效寬度按式(9)計算:

對于卷邊槽鋼腹板和翼緣:

對于槽鋼卷邊:

其中，fy為屈服強度;σcr為板件局部屈曲時的臨界應力;t為板厚(不包括涂層);k為板件屈曲系數;

經計算，其有效截面面積為120.07 mm2，計算承載力為28.003 kN。

3 直接強度法

美國規范AISI S100-2007的規定［10］:

整體屈曲承載力Pne按下式計算:

當 λc≤1.5 時:

當 λc＞1.5 時:

局部屈曲承載力Pnl按下式計算:

當 λl≤0.776 時:

當 λl＞0.776 時:

畸變屈曲承載力Pnd按下式計算:

當 λd≤0.561 時:

當 λl＞0.561 時:

軸心受壓構件的極限承載力按下式計算:

經計算，其極限承載力為26.812 kN。

4 計算結果分析

對于試件來說，有效寬度法和直接強度法所得的結果與試驗結果的比值均小于1.0，它能夠有效地預測冷彎薄壁卷邊槽鋼柱極限承載力。采用我國規范GB 50018-2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范、歐洲規范Eurocode3(EN 1993-1-3)、北美規范(AISI S100-2007)附錄中的直接強度法與試驗值對比見圖2。

圖2 不同規范計算值與試驗結果對比

5 結語

綜合我國規范GB 50018-2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范、歐洲規范Eurocode3(EN 1993-1-3)、北美規范(AISI S100-2007)，計算與試驗結果表明:按GB 50018-2002冷彎薄壁型鋼結構技術規范計算厚度1 mm以下Q345槽鋼柱是可行的。

［1］Young B，Yan J.Channel columns undergoing local，distortional and overall buckling［J］.Journal of Structural Engineering，2002，128(6):728-736.

［2］Narayanan S，Mahendran M.Ultimate capacity of innovative cold-formed steel columns［J］.Journal of Constructional Steel Research，2003(59):489-508.

［3］王春剛，張耀春，張壯南.冷彎薄壁斜卷邊槽鋼受壓構件的承載力試驗研究［J］.建筑結構學報，2006，27(3):1-9.

［4］Yu W W.Cold-formed steel design［M］.3rd Ed.New York:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2000.

［5］Schafer B，Pekoz T.Laterally braced cold formed steel flexural members with edge stiffened elements［J］.Journal of Structural Engineering，1999，125(2):118-127.

［6］NAS 2004，Design of cold-formed steel structural members using the direct strength method:Appendix 1［S］.

［7］Gregory J H，Thomas M M，Duane S E.Cold-formed steel structures to the AISI specification［M］.New York:Marcel Dekker，Inc.，2001.

［8］GB 50018-2002，冷彎薄壁型鋼結構技術規范［S］.

［9］DAN DUBINA，VIOREL UNGUREANU，RAFFAELE LANDOLFO.Design of cold-formed steel structures［M］.ECCS-European Convention for Constructional Steelwork，1st Edition，2012.

［10］AISI S100-2007，North American specification for the design of cold-formed steel members［S］.