基于開孔鋼板拉伸試驗研究

王曉璇

摘要：在鋼結構中，鋼板開孔現象不可避免，但開孔后很可能對鋼板力學性能產生較大影響。本文針對特定尺寸開孔鋼板展開拉伸試驗，分析開孔數量、大小、距離對鋼板力學性能產生的影響。試驗結果顯示，鋼板開孔的直徑越大承載力的削弱度越強;開孔距離與承載力的關系不大;開孔數量與承載力呈正比例關系。

關鍵詞：開孔鋼板;拉伸試驗;力學性能

引言：

鋼構件在使用過程中，需要根據使用需求在連接處等位置開孔，開孔處由于截面變小，導致孔口周圍的應力集中，進而降低了試件的疲勞性與靜力，可見對此類鋼板進行加固設計顯得十分必要。在本文的研究中，主要對鋼板開孔后孔洞數量、孔徑、孔洞間距進行拉伸試驗，以此得出開孔對鋼板力學性能的影響。

1.試驗過程

1.1試件準備

本次試驗采用的試件為矩形鋼板，尺寸為200mm×100mm，開孔數量為一個和兩個，開孔數量為一的鋼板，孔的中心與鋼板中心相同;開孔數量為二的鋼板，兩孔沿著中線對稱分布，孔徑數量用d表示，間距為m，試驗中共計使用12個試件，鋼材等級為Q235級。在對鋼板實施拉伸試驗之前，在鋼板長邊的左右分別預留70mm的距離便于試件夾持。

1.2數據采集

將準備好的鋼板放置在拉伸機中開展試驗，鋼板兩側分別用試驗機固定，將應變片放置在開孔處與應力承載較大的位置，對應力變化數據進行采集，并以此為依據對鋼材的屈服程度進行判斷，使用位移計對鋼板拉伸長度進行計算。在整個拉伸過程中，鋼板出現明顯的緊縮或者發生損壞后停止加載[1]。

2.試驗結果

2.1孔徑大小

針對開孔直徑不同的鋼板進行拉伸時，當鋼板受到破壞時產生的荷載便屬于鋼板抗拉承載力;對于不同孔徑的鋼板來說，抗拉承載力越低，鋼板的力學性能將隨之減小。在對兩個開孔大小不同的鋼板進行拉伸試驗后，所得的鋼板破壞荷載為：當鋼板直徑為20mm時，試件的抗拉承載力為500kN;當鋼板直徑為30mm時，試件的抗拉承載力為420kN;當鋼板直徑為40mm時，試件的抗拉承載力為380kN;當鋼板直徑為50mm時，試件的抗拉承載力為310kN;當鋼板直徑為60mm時，試件的抗拉承載力為220kN。由此可見，當鋼板開孔的直徑越大時，抗拉承載力反而隨之降低。

2.2開孔距離

在對兩個開孔距離不同的鋼板進行拉伸試驗后，所得的鋼板破壞荷載為：當兩個開孔的間距為40mm時，抗拉承載力為420kN;當兩個開孔的間距為60mm時，抗拉承載力為418kN;當兩個開孔的間距為80mm時，抗拉承載力為422kN;當兩個開孔的間距為100mm時，抗拉承載力為422kN;當兩個開孔的間距為120mm時，抗拉承載力為419kN。由此可見，隨著兩個開孔距離的不斷增加，試件的抗拉承載力幾乎保持不變。

2.3開孔數量

當開孔面積相等的條件下，對兩個鋼板試件進行開孔處理，其中一個設置直徑為40mm的孔，另一個設置兩個直徑為28mm的孔，兩孔的距離一個為40mm，另一個為80mm;針對該試件進行拉伸試驗，從試驗結果可知，開一個孔洞的試件抗拉承載力為364kN，開兩個孔洞的試件的承載力為442kN與436kN。由此可見，當開孔面積相同時，開孔數量與試件抗拉承載力上呈現出正相關關系，即當開孔數量越多時，試件的承載力也就越強[2]。

3.試驗因素分析

3.1開孔對鋼板力學性能的影響

應力集中數據手冊中規定，針對不同類型的鋼板寬度、開孔直徑、厚度，開孔兩端的集中系數一般超過2。為了對開孔對鋼板承載力的影響程度進行分析，可采用試件最大承載力與未開孔鋼板最大承載力相除的方式計算承載力系數。同時，計算鋼板截面面積與未開孔鋼板截面的比值關系。試驗中編號為S3與S6的試件，其承載力系數分別為0.65與0.8，而正常情況的承載力系數為0.6.計算結果與0.6相比較大，因此，即便鋼板中由于開孔促使應力集中，但在較大荷載的作用下，名義應力卻并非隨之降低，產生這一現象的主要原因在于，當鋼板開孔后，局部應力逐漸向中間匯集發生屈服作用，孔口的塑性區域逐漸拓寬，拉伸荷載也隨之增加。從本次試驗中可知，可以試件的截面面積為依據，對鋼板的最大抗拉承載力與開孔情況進行分析，如若在未開孔鋼板承載力已知的情況下，便可以對開孔后鋼板的最小抗拉承載力進行保守預測。

3.2鋼板厚度的影響

利用CFRP對鋼板進行加固后，其承載力將明顯提升，最大限度的減少位移，但對于不同厚度的鋼板來說，加固作用的有效性存在區別，主要是由于鋼板剛度與CFRP存在差別，當對開孔直徑為3mm的鋼板進行加固時，如若采用1層CFRP進行加固，與未加固相比試件的荷載提高31%;如若采用2層CFRP加固，則試件荷載提高51%;當對開孔直徑為6mm的鋼板進行加固時，采用1層CFRP進行加固，與未加固相比試件的荷載提高18%;如若采用2層CFRP加固，則試件荷載提高24%。由此可見，在加固層數相同的情況下，3mm直徑鋼板的荷載效果提升最為明顯，這主要因為3mm開孔鋼板的抗拉強度、彈性模量較大，故而與6mm直徑鋼板相比承載力的提升效果更加明顯。

結論：

綜上所述，本文以開孔鋼板為研究對象進行拉伸試驗，針對孔徑大小、間距、數量對試件抗拉承載力產生的影響進行分析。從試驗結果中得出，當鋼板開孔的直徑越大時，對其承載力的削弱度越強;在兩個開孔距離不斷增加的情況下，試件的抗拉承載力幾乎保持不變;當開孔數量越多時，試件的承載力也就越強。

參考文獻：

[1]姜豐，史亞龍，王清遠.CFRP加固開孔鋼板的靜力力學性能研究[J].四川理工學院學報（自科版），2018，31（2）：43-49.

[2]楊清梅，周健鴻.基于拉伸試驗的銹蝕鋼板力學性能研究[J]. 低溫建筑技術，2016，38（5）：12-15.