Q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱承載力計(jì)算方法

劉昕露+金夢飛+任曉康+孫德發(fā)

摘 要：在分析比較有效寬度法（EWM）和直接強(qiáng)度法（DSM）的基礎(chǔ)上，針對Q345冷彎薄壁卷邊槽鋼柱的極限承載力進(jìn)行了較深入的探討和對比分析。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果表明：按冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）計(jì)算槽鋼柱是可行的。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼 ?卷邊槽鋼 ?軸壓柱 ?有效寬度法 ?直接強(qiáng)度法 ?穩(wěn)定承載力

中圖分類號(hào)：TU392.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（a）-0056-02

冷彎薄壁型鋼作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型建筑材料，具有截面形狀合理、力學(xué)性能良好、鋼材利用率高等特點(diǎn)，隨著我國鋼產(chǎn)量的不斷增加，以及國家對于鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)的大力扶持，冷彎薄壁型鋼住宅體系在國內(nèi)蓬勃的發(fā)展，在建筑行業(yè)尤其是輕鋼房屋建設(shè)中得到日益廣泛的應(yīng)用。冷彎薄壁卷邊槽鋼是冷彎薄壁型鋼住宅中的常用構(gòu)件之一，由于受初始缺陷、長細(xì)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(gòu)件的極限承載力理論計(jì)算比較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者主要采用試驗(yàn)和有限元方法對其進(jìn)行研究[1-3]，但也提出了許多簡化的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。簡化設(shè)計(jì)方法中，有效寬度法應(yīng)用最普遍，己成為各國設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)[4]。近年來，美國Schafer和Pekoz[5]提出了直接強(qiáng)度法，與有效寬度法相比，直接強(qiáng)度法是全截面采用有效應(yīng)力設(shè)計(jì)板件，且考慮板件局部屈曲、畸變屈曲和整體屈曲相關(guān)影響。目前，該方法已經(jīng)被大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)，并已被列入北美規(guī)范NAS 2004[6]中，大有取代有效寬度法的趨勢[7]。但直接強(qiáng)度法需要依賴有限條或有限元程序計(jì)算構(gòu)件全截面的局部屈曲和畸變屈曲臨界應(yīng)力，尚無簡單的解析方法，導(dǎo)致了計(jì)算上的不方便。本文將在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合有效寬度法和直接強(qiáng)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(guī)范冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）、歐洲規(guī)范Eurocode3（EN 1993-1-3）和北美規(guī)范（AISI S100-2007）附錄中的直接強(qiáng)度法進(jìn)行計(jì)算與分析，以檢驗(yàn)我國規(guī)范的適用性。

1 試驗(yàn)概況

試件材料為Q345，截面外輪廓尺寸為C89×42×13×0.8（中線尺寸為C88.2×41.2×12.6×0.8），長為1000 mm，每組測試三個(gè)試件。試驗(yàn)采用液壓試驗(yàn)機(jī)，試件直接置于試驗(yàn)機(jī)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布置示意見圖1。試件承載力平均值為22.06 kN。理論計(jì)算取=345 N/mm2，=300 N/mm2，=206000 N/mm2。

2 有效寬度法

2.1 中國規(guī)范（GB50018-2002）的規(guī)定[8]

當(dāng)≤ ? ? ? ? ?（1）

當(dāng) ?（2）

當(dāng)≥ ? ? ? ?（3）

計(jì)算系數(shù)，壓應(yīng)力分布不均勻系數(shù)，板件受壓區(qū)寬度，。

腹板： ? ?（4）

翼緣： （5）

受壓板件的板組約束系數(shù)：

≤ ? ? ? ? ? ?（6）

> ? （7）

（8）

軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力：

（9）

當(dāng)考慮板組約束系數(shù)，翼緣k1=0.971，腹板k1=1.029，其有效截面面積為86.35 mm2，計(jì)算承載力為16.391 kN;當(dāng)不考慮板組約束系數(shù)，翼緣k1=1.0，腹板k1=1.0，其有效截面面積為86.33 mm2，計(jì)算承載力為16.388 kN。

2.2 Eurocode 3（EN 1993-1-3）的規(guī)定[9]

考慮卷邊加勁區(qū)域剛度影響，采用截面中線尺寸，截面有效寬度按下式計(jì)算：

（10）

對于卷邊槽鋼腹板和翼緣，

≤ ? ? ? （11）

對于槽鋼卷邊，≤（12）

（13）

式中：為屈服強(qiáng)度;為板件局部屈曲時(shí)的臨界應(yīng)力;為板厚（不包括涂層）;為板件屈曲系數(shù);。

經(jīng)計(jì)算，其有效截面面積為81.84 mm2，計(jì)算承載力為18.943 kN。

3 直接強(qiáng)度法

3.1 美國規(guī)范AISI S100-2007的規(guī)定[10]

整體屈曲承載力按下式計(jì)算：

當(dāng)≤時(shí)， ?（14）

當(dāng)時(shí)， ?（15）

式中：;;為構(gòu)件彈性整體屈曲荷載（取彈性彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲荷載中的較小值）。

局部屈曲承載力按下式計(jì)算：

當(dāng)≤時(shí)， ? ? ? （16）

當(dāng)時(shí)，

（17）

式中：;為彈性局部屈曲荷載。

畸變屈曲承載力按下式計(jì)算：

當(dāng)≤時(shí)， ? ? ? ? （18）

當(dāng)時(shí)，

（19）

式中：;為彈性畸變屈曲荷載。

軸心受壓構(gòu)件的極限承載力按下式計(jì)算： ? ? ? ?（20）

經(jīng)計(jì)算，其極限承載力為17.73 kN。

4 計(jì)算結(jié)果分析

對于試件來說，有效寬度法和直接強(qiáng)度法所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比值均小于1.0，它能夠有效地預(yù)測冷彎薄壁卷邊槽鋼柱極限承載力。采用我國規(guī)范冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范（GB50018-2002）、歐洲規(guī)范Eurocode3（EN 1993-1-3）、北美規(guī)范（AISI S100-2007）附錄中的直接強(qiáng)度法與試驗(yàn)值對比見圖2。endprint