Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計算方法

趙勝江 金勝強 姚石輝 雷張斌 金雨飛 孫德發

摘 要：在分析比較冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）相關條文規定的基礎上，結合長度分別為300 mm、500 mm和1000 mm，截面尺寸為L30×2.0冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的試驗結果，針對Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿承載力計算方法進行了較深入的探討和對比分析。結果表明：采用冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）中的有效寬度法可以有效地預測Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩定承載力，且與試驗結果吻合良好。

關鍵詞：冷彎薄壁型鋼 等邊角鋼 壓桿 有效寬度法 極限承載力

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（c）-0096-02

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，其已經被大量使用在輕型鋼結構體系中，如低層住宅、工業廠房、鋼模板、腳手架、橋梁結構、輸電線塔等。角鋼構件是鋼結構中的一類重要構件，它具有易安裝和連接方便的優點，可應用于塔架結構、格構柱、桁架結構及支撐等結構。冷彎型角鋼不受截面規格的限制，截面開展形式多樣，更能適應各種結構使用的需要。

冷彎角鋼截面屬開口薄壁構件，在軸向壓力作用下其失穩類型歸納有4種：（1）對最小主軸的彎曲屈曲；（2）彎扭屈曲；（3）局部屈曲；（4）彎扭-局部屈曲。

從“冷彎薄壁型鋼結構技術規范[1]”

（GB50018-2002）第5.2.3條規定可以看出，計算截面全部有效的不卷邊的等邊單角鋼軸心受壓構件，只考慮了彎曲屈曲，并沒有考慮彎扭屈曲和局部屈曲等形式。如果計算截面不是全部有效怎么辦呢？四種失穩形式，究竟誰起控制作用呢？該文將在試驗的基礎上，結合冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）中的計算方法進行計算與分析，以檢驗我國規范的適用性。

1 試驗概況

試件材料為Q345，截面尺寸為L30×2.0，截面特性見表1，符號定義見圖1。試件長度分別為300、500和1000 mm，每組測試3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[2]，試件加載裝置和試件布置示意見圖2。試件試驗承載力見表2。理論計算取=345N/mm2，=300N/mm2，=206000N/mm2。

2 冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）的規定

2.1 第5.2.3條的規定

計算閉口截面、雙軸對稱的開口截面和截面全部有效的不卷邊的等邊單角鋼軸心受壓構件的穩定系數時，其長細比應取按下列公式算得的較大值：

（1）

（2）

式中、為構件對截面主軸x軸和y軸的長細比；、—構件在垂直于截面主軸x軸和y軸的平面內的計算長度；、為構件毛截面對其主軸x軸和y軸的回轉半徑。

2.2 第5.2.4條的規定

計算單軸對稱的開口截面軸心受壓構件的穩定系數時，其長細比應取按公式（2）和下式算得的較大值：

（3）

（4）

（5）

式中 為彎扭屈曲的換算長細比；為毛截面扇形慣性矩；為毛截面抗扭慣性矩；為毛截面的彎心在對稱軸上的坐標；為扭轉屈曲的計算長度，；為無綴板時，為構件的幾何長度；有綴板時，取兩相鄰綴板中心線的最大距離；，為約束系數。

冷彎薄壁等邊角鋼壓桿，穩定承載力，取，見表3。

2.3 第5.6條的規定

對于非加勁板件，有效寬度按下式計算：

當 （6）

當

（7）

當 （8）

式中：為板件寬度；為板件厚度；為板件有效寬度；為計算系數，取值為1.0；為板件應力不均勻系數，取值為1.0；為板件受壓區寬度，取值為其板寬；為計算系數，，其中，為按毛截面算出構件最大長細比，查GB50018-2002附錄表A.1.1-2而求得的穩定系數，為板件屈曲系數，取值為0.425；為板組約束系數，取值為1.0。

冷彎薄壁等邊角鋼壓桿，穩定承載力，見表4。

3 計算結果分析

按冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）不同條文規定計算的兩端簡支冷彎薄壁等邊角鋼壓桿（L30×2.0）極限承載力與試驗結果比較見圖3。

從圖3來看，對于兩端簡支的試件，只有采用有效截面（按有效寬度法計算）的計算結果N基本小于試驗值Nt，說明此計算方法是合理的。

當長細比較小時，有可能出現彎扭屈曲模式。因此設計時，此類構件應列入冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）單軸對稱截面軸心壓桿一類進行穩定驗算，即考慮構件彎扭失穩采用規范給出的換算長細比進行設計。

綜上所述，現行冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）將冷彎薄壁等邊單角鋼軸壓桿歸入閉口截面和雙軸對稱開口截面一類設計，只考慮了角鋼的彎曲屈曲模式破壞而沒有考慮角鋼的彎扭屈曲模式是不合適的。當角鋼發生彎扭屈曲模式破壞時，按冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）第5.2.3條的規定設計將不能確保角鋼軸壓桿的安全，建議規范對此應該進行修改，應將冷彎角鋼軸壓桿納入單軸對稱截面，考慮彎扭屈曲一類桿件設計，同時考慮截面的有效問題。

4 結語

結果表明：采用冷彎薄壁型鋼結構技術規范（GB50018-2002）中的有效寬度法可以有效地預測Q345冷彎薄壁等邊角鋼壓桿的穩定承載力，與試驗結果吻合良好。

參考文獻

[1] GB50018-2002.冷彎薄壁型鋼結構技術規范[S].北京：中國計劃出版社，2002.

[2] 周鵬杰，冷光，孫德發.冷彎薄壁卷邊槽鋼軸壓柱承載力的計算方法[J].山西建筑，2011，37（6）：25-27.