橢圓鋼管壓彎構件滯回性能試驗研究

吳

(1.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司,廣州 510507; 2.同濟大學建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

隨著現代建筑工程的發展,對建筑外形及結構效率的追求越來越高,橢圓鋼管正受到越來越多的關注和應用。相比于傳統的圓形鋼管,橢圓鋼管具有強弱軸,可以通過橢圓形構件的合理布置,充分利用材料;橢圓鋼管沿長軸方向具有光滑的流線型外形,降低了風荷載對結構的影響;在建筑上,橢圓鋼管能減少視線遮擋,提高透光率。

近年來,橢圓鋼管在歐洲得到了一系列應用[1],并且進行了大量的研究,包括受壓性能、屈曲特性、彎曲性能等[2]。但目前橢圓形截面的抗震性能研究較少,中國又是一個災害頻發的國家,因此橢圓鋼管作為一種新型的鋼管結構,對其滯回性能的研究是十分必要的。

本文通過4個橢圓鋼管壓彎構件的滯回試驗,以水平力加載方向以及軸壓比為設計參數,根據試驗所得結果分析了橢圓鋼管壓彎構件的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線和延性系數。此次研究將為工程設計提供必要的指導和準則,也為將來編制和改進鋼結構抗震設計規范提供依據。

1 試驗概況

1.1 材料生產

目前常用的橢圓鋼管成型方式有兩種:①熱軋成型;②冷彎成型。國外目前應用比較廣泛的為熱軋成型的橢圓鋼管。國內由于工廠的加工條件有限,目前普遍采用的是冷彎成型的橢圓鋼管。

冷彎成型的橢圓鋼管又可以分為有縫橢圓鋼管和無縫橢圓鋼管。其中無縫橢圓鋼管需通過模具將圓鋼管冷彎成橢圓鋼管。該加工工藝的優點是無焊縫,避免了焊縫的影響;缺點是模具制作復雜,成本高,殘余應力大。綜合以上,決定采用冷彎成型的無縫橢圓鋼管作為加工試件的原材料,并且在冷彎成型之后,再進行一遍退火處理,以減小試件的殘余應力,細化晶粒,調整組織,消除組織缺陷。

1.2 試件設計

本次試驗設計了0.3和0.6兩種軸壓比(n0.3與n0.6),水平力加載方向為繞強軸彎曲(EM)和繞弱軸彎曲(EW),共4個試件。橢圓鋼管采用Q345鋼為材料制作,端板和加勁肋均采用Q235鋼,橢圓鋼管外徑長軸為300 mm,短軸為150 mm,厚度為12 mm。

試件照片和試件規格如圖1和表1所示。

1.3 試驗裝置和加載制度

試驗加載裝置如圖2所示。試驗過程中首先在柱頂施加恒定不變的軸向荷載,之后在柱頂施加低周往復水平荷載。本次試驗采用位移控制加載,采用500 kN電液伺服作動器施加水平荷載;采用3 000 kN可控制力和位移的電液伺服千斤頂施加軸向荷載,確保了試驗過程中軸壓力的恒定,同時該千斤頂與反力架之間安裝了跟動裝置,具有極小的摩擦阻力,在試驗過程中千斤頂可以與試件同時移動,保證了試驗過程中軸壓力方向恒垂直于水平面,跟動裝置如圖3所示;試驗過程中采用數據采集系統自動采集實驗數據(荷載、位移等),采集時間間隔為1 s。

圖1 試件照片Fig.1 Specimens’ photograph

表1 試件規格Table 1 Specimen specification

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Setup of test

圖3 千斤頂及豎向跟動裝置Fig.3 Jack and vertical movement device

本次試驗加載按照SAC Report SAC/BD-97/02[9]中規定的加載程序進行:正式開始試驗前,先取軸向壓力設計值N0的40%～50%加、卸載一次,以減小試件內部組織不均勻性產生的不利影響,并且檢查儀器是否正常工作。加載時首先施加豎向荷載,豎向荷載的大小等于極限承載力N0乘以設計軸壓比(0.30,0.60),分三至四次施加到位,并在試驗過程中保持恒定。水平荷載采用位移控制方法,以層間位移角θ控制水平位移,前3級荷載(0.003 75、0.005、0.007 5)循環6圈,第4級荷載(0.01)循環4圈,之后按照每級層間位移角增加0.01循環2圈。直到試件承載力下降到極限承載力的40%以下,停止加載。

位移計的布置主要為了測量構件的水平位移,監測構件的平面外位移和剛體轉動。而應變片的主要作用有3點:①是考察柱腳處屈曲及屈服發生的時間;②是監測外層鋼管的應力狀態;③是在施加軸向壓力的時候能夠方便試件對中。因此在本試驗中,在柱中位置布置了4個單向應變片,在柱底位置布置了4組雙向應變片。位移計和應變片的布置如圖4所示。

2 材料力學性能

2.1 材性試驗設計

拉伸試件由橢圓鋼管成品直接切取,切取位置為橢圓曲率半徑最大和最小的位置處,依據American Society for Testing and Materials Standard[10]設計。平行段長度為70 mm,寬度為12.5 mm。為了避免弧形加載端彎矩引入的影響,兩端各開一個直徑13 mm的螺栓孔,如圖5所示。為了避免試件平行段產生殘余應力并引入彎矩,專門設計了夾頭與材性試件通過螺栓連接,保證軸心加載,如圖6所示。

圖4 位移計和應變片布置示例圖Fig.4 Layout of displacement meters and strain gauges

圖5 橢圓鋼管材性試件(單位:mm)Fig.5 Coupon test specimens of elliptical hollow section (Unit:mm)

2.2 材性試驗結果

橢圓鋼管長軸和短軸的端點處截取的試件分別命名為TCA和TCB,相同區域處截取的兩組試件用-1,-2來區分。試驗得到的材性試驗結果如圖7和表2所示。

從應力應變曲線可以看出,所有材性試件都表現出了明顯的碳素鋼的力學特性,即到達屈服點后有明顯的屈服平臺,經過屈服平臺后,進入強化段,隨后達到極限荷載,試件破壞。而由不同位置上截取下來的材性試件屈服強度、極限強度差別不大,在5%以內,因此可認為冷彎成型后退火處理的加工方式很好地避免冷彎而產生的鋼材硬化。

圖6 材性試驗裝置Fig.6 Setup of coupon test

圖7 應力應變曲線Fig.7 Stress-strain curves

表2 材性試驗結果統計Table 2 Coupon test results

3 試驗結果及分析

3.1 試件破壞模式

所有試件的破壞形態基本相同。圖8所示為小軸壓比試件的典型破壞過程。隨著試件橫向位移的逐級增大,橢圓鋼管曲率半徑最大位置處的加勁肋上方50 mm左右的位置開始出現局部的微小鼓曲。隨著位移的不斷增大,局部鼓曲的范圍逐漸增大并沿環向發展,在橫向位移較大時還會聽見鋼材的撞擊聲,這應該是銷軸位置處鋼材表面接觸摩擦形成的。試件接近破壞時,這種鼓曲急劇發展,最終破壞時,環狀鼓曲已十分明顯。

圖8 小軸壓比試件破壞形態Fig.8 Failure mode of specimens with low axial compression ratio

圖9所示為大軸壓比試件的典型破壞過程。無論是繞強軸彎曲的試件,還是繞弱軸彎曲的試件,構件破壞時橢圓鋼管的底部已經嚴重變形,這是由于構件鼓曲截面發生削弱,在較大軸壓力作用下,構件無法承擔如此巨大的軸壓力,因此構件表現出壓屈破壞的破壞模式。

3.2 力-位移滯回曲線

試驗的力-位移曲線如圖10所示。從圖中可以看出:對于同一類截面,小軸壓比的試件較大軸壓比的試件滯回曲線更為飽滿;繞強軸彎曲的試件較繞弱軸彎曲的試件承載力更高。

圖9 大軸壓比試件破壞形態Fig.9 Failure mode of specimens with high axial compression ratio

3.3 彎矩-弦轉角滯回曲線

在試驗的往復加載過程中,需要將二階彎矩效應考慮進試驗中。

圖11給出了試件的彎矩(M)-弦轉角(θ)滯回關系曲線,其中彎矩和弦轉角由式(1)計算:

(1)

式中：M1為由水平力產生的柱底彎矩;M2為軸壓力作用下產生的二階彎矩;Leff指柱的等效計算長度,由柱底加勁肋頂部計算至銷軸中心位置,為1 460 mm。

為了合理評估截面承載力,還需要計算考慮軸力影響的邊緣屈服彎矩(Me),全截面塑性彎矩(Mp)。因本文涉及強、弱軸各項性能,為避免產生分歧,文中用下標e代指屈服相關的各項分量,而下標y特指與弱軸相關的各項性能。

Me為考慮軸壓力作用的屈服彎矩,可根據線彈性理論得到,其中,Mex為繞強軸彎曲或壓彎的屈服彎矩,Mey為繞弱軸彎曲或壓彎的屈服彎矩。由式(2)計算:

圖10 力-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves

圖11 彎矩-弦轉角曲線Fig.11 Moment-drift angle curves

(2)

式中：σy為實測屈服強度;N0為軸壓力;A為橢圓鋼管面積;Wx,Wy分別為繞強軸和繞弱軸的彈性截面模量。

Mp為考慮軸壓力作用的全截面塑性彎矩,記Mpx為繞強軸方向彎曲或壓彎的全截面塑性彎矩,Mpy為繞弱軸方向彎曲或壓彎的全截面塑性彎矩。不考慮材料強化作用,Mp通過達到極限狀態時,假定軸壓力產生的正應力集中在橢圓鋼管中部的應力分布形式得到,如圖12所示。

各個試件的Me,Mp和Mu列于表3中,其中Mu為試驗得到的試件極限承載力。從表3和圖12中可以看出,試件在達到力的極值點后,M-θ骨架曲線仍出現上升的趨勢,說明構件還有繼續承擔荷載的能力。并且試件的極限承載力均超過了考慮軸壓力作用的試件全截面塑性彎矩,說明此類截面能有效地承擔荷載,具有一定的變形能力。

圖12 全截面塑性彎矩應力分布形式Fig.12 The stress distribution of whole-section plastic bending moment

表3 試件邊緣屈服彎矩、全截面塑性彎矩、極限承載力匯總Table 3 Edge yield moment and whole-section plastic bending moment and ultimate bearing capacity of specimens

3.4 骨架曲線與延性系數

骨架曲線取滯回曲線各加載級循環的峰值點所連成的包絡線,圖13列出了各個試件的M-θ滯回曲線的骨架曲線。取骨架曲線極限后0.85倍極限荷載所對應的位移為θu,取彈性段的延長線與過峰值點水平線的交點處位移為屈服位移角θy,進而可得到各試件的延性系數μ=θu/θy。

圖13 骨架曲線匯總Fig.13 Skeleton curves

各試件μ列于表4中,各試件的延性系數在4～6之間,表明各試件均具有一定的塑性變形能力;軸壓比0.3的試件的延性系數大于軸壓比0.6的試件的延性系數,而繞弱軸彎曲試件的延性系數也大于繞強軸彎曲試件的延性系數。

從骨架曲線圖也可以看出,軸壓比越大,構件承載力越低;繞強軸彎曲試件的承載力高于繞弱軸彎曲試件的承載力。

表4 試件延性系數匯總Table 4 The ductility coefficient of specimens

4 結 論

(1) 所有橢圓鋼管壓彎構件的破壞形態基本一致,即在柱底加勁肋上方曲率半徑最大位置附近開始出現局部鼓曲,并且隨著位移的不斷增大,局部鼓曲的范圍逐漸增大并沿環向發展,最終導致截面發生破壞。

(2) 從材性試驗結果可以看出,橢圓鋼管曲率半徑最大處和曲率半徑最小處的材料性能基本一致,因此可認為在橢圓鋼管冷彎成型后再進行退火處理的加工工藝可以有效地削弱冷彎后鋼材硬化對材料性能的影響。

(3) 各個試件的滯回曲線都較為飽滿,證明此類截面具有較好的滯回特性。

(4) 各個試驗參數對試件的骨架曲線均有不同程度的影響。

軸壓比不僅影響試件的極限承載能力,也影響試件的延性。對于同一類截面繞強軸彎曲的試件,軸壓比越大承載力越低;而繞弱軸彎曲的試件,軸壓比增大承載力變化不顯著。同時,對于同一類截面,軸壓比越大,試件的延性也就越差。

水平力加載方向同樣對試件的承載能力和延性有影響。對于同一類截面,繞強軸彎曲的試件較繞弱軸彎曲的試件承載力高,初始剛度大,但延性差。

參考文獻

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