冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗研究

江 舟

（山東省冶金產品質量監督檢驗站有限公司，山東 濟南 250014）

在我國工業生產制造工藝不斷創新的社會發展背景下，冷彎型鋼板及其相關衍生材料開始在鋼架生產鏈中廣泛使用，盡管此種結構的鋼板在應用后取得了一定的工程經驗，但相比常規的鋼材料制品，其中綜合性能仍略顯不足。綜合冷彎型鋼材料的性能分析可知，此種材料具有強度高、脆性大、延展能力弱等特點，根據市場內冷彎型鋼的現有應用可知，大部分鋼板構件呈現一種開口狀，包括“帽”形、“Z”形、“凹槽”形等。此種類型的界面扭曲剛度相對較小，負載能力相對較差，一旦受到外界環境對其的擠壓，結構整體極易發生變形[1]。因此，在實際應用中，通常會選擇在構件的截面集成一個合箱形構件，用于提高冷彎型鋼構件的整體剛度，以此種方式達到一種提升鋼材料構件結構承載能力的作用。盡管已有較多的研究者提出，在冷彎型鋼材料上集成合箱構件具有一定實用性，但并未有研究者對冷彎型鋼在受力狀態下的極限負載能力進行分析。因此，仍無法使用承載力性能進行冷彎型鋼構件性能的描述，但要滿足工業生產與制造需求，還需要相關技術人員深入到與此方面相關的設計研究中，通過多次試驗，進行冷彎型鋼極限承載力的分析，以此實現冷彎型鋼構件在我國金屬建材市場內的大規模應用。

1 試驗對象與試驗方法

1.1 試驗對象材料

為了確保此次試驗可滿足對冷彎型鋼壓彎極限承載力的檢測需求，選擇5塊冷彎型鋼板構件作為試驗對象，鋼板的平均厚度為10.0mm±0.05mm，構件的設計長度為3.0m±0.10m，其長細比值為80.0的構件有3.0個，剩余2.0個構件的長細比值為60.0。在完成試驗所需構件的制備后，為了排除或降低冷彎型鋼構件局部屈曲對試驗過程的干擾與影響，需要對構件的截面寬厚比進行重構與設定，按照鋼結構設計規范及其試驗過程中構件的穩定性要求，需要設置冷彎型鋼構件截面的寬厚比值在8.0～18.0之間[2]。為了便于后期對試驗構件的識別，可將參與此次試驗的構件標記為B-1～B-5，同時，在構件原有的測試長度兩端增加一段緩沖長度，長度控制在500.0mm范圍內，以此種方式避免試驗過程中的邊緣效應。

1.2 試驗構件處理

在完成試驗材料的選擇后，將冷彎型鋼采用火焰切割工藝，對其進行熱處理，在此基礎上，為其匹配一個相等強度的Q460焊絲，將其與試驗構件進行焊接。焊接過程中，采用氣體保護裝置，按照手工焊接的方式，對其進行加工處理[3]。構件兩端增加的500.0mm長度材料需要全熔透焊接，中間部位需要采用半熔透或部分熔透焊接形成。在此過程中，構件的中間部位的焊縫坡口需要控制其深度在11.0mm范圍內。為了確保對構件熱處理的有效性，需要對焊接處理過程中的相關參數進行調整。相關內容如下表1所示。

表1 冷彎型鋼試驗構件焊接處理技術要求

按照設定的參數與標準對試驗構件進行焊接處理，在此過程中需要對工藝進行優化處理，以此降低或避免試驗構件受到初始化撓度的影響發生形變。在完成上述相關處理的基礎上，對冷彎型鋼構件兩端500.0mm長度進行火焰校正，確保兩端呈現一種相互平行的狀態。以此完成冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗的前期準備工作。

1.3 極限承載力試驗方案

在完成試驗準備工作后，將制備的5.0根試驗構件放置在液壓處理設備上，此設備的液壓最高作用力為1.0×104kN，將冷彎型鋼試驗構件的上下兩端與設備進行對接，并使用半圓柱形狀的鉸接式支座作為支撐結構。

此次試驗的加載過程采用等速與等位移切換模式進行控制，在預加載處理過程中，80.0%的極限承載力采用等速增量控制方式，為了避免在對其施加作用力時試驗構件出現突發性彎曲現象，需要將實驗操作臺放置在一個相對平穩的區域，確保液壓速度保持勻速后，在荷載達到極限承載力的80.0%時，將液壓設備調整到等速增量控制階段[4]。試驗過程中，當檢測到構件的承載力呈現急劇下降趨勢，或達到實測承載力的60.0%時，停止液壓設備的下壓行為，并認為在此種情況下，試驗構件已發生破壞，不具備承載能力，停止設備對其的加載處理并將液壓設備進行歸零處理。

為了確保對試驗過程相關數據獲取的時效性，在冷彎型鋼試驗構件長度1/2位置處，安裝至少10.0個應變片，通過應變片的形變，監測構件的應變狀態[5]。同時，在液壓設備及其支撐結構與底座上，需要布設至少15.0個位移針，用于監測構件的軸向變形方向與發生彎曲形變后的撓度，監測點布設方式可參照圖1。

圖1 冷彎型鋼壓彎極限承載力試驗監測點布設

按照上述圖1所示的結構，進行現場試驗環境的布置，并在完成與此相關的研究后，按照上文提出的操作流程，對制備的5.0個試驗構件執行此次試驗。

2 試驗結果

在完成此次試驗后，收集應變片的傳感器得到的數據，對數據進行平均值計算，并將此數據作為試驗結果。繪制冷彎型鋼構件在持續受力作用下的應力變化曲線。如下圖2所示。

綜合上述圖2所示的應力變化曲線可知，冷彎型鋼構件的持續受力達到2500.0MPa時，構件發生應力形變，在持續受力一段時間時，構件應變位移的變化較為均勻，位移長度從0.03增加到0.95。當施加的作用力持續增加時，構件發生斷裂，此時構件的壓彎承載力急劇下降，應變位移的變化較為緩慢，證明在此種受力情況下的構件已不具備承載力，但整體結構并未失穩。由此可以得出此次試驗的最終結論：冷彎型鋼構件的極限承載力為2300.0MPa，在超出其極限承載力后，構件存在斷裂趨勢，但整體結構并未發生明顯的失穩現象，證明構件的延展性相對較高。

圖2 冷彎型鋼構件在持續受力作用下的應力變化曲線

3 試驗結果討論與分析

在完成冷彎型鋼構件在持續受力作用下應力變化的綜合分析后可知，此種材料制作的構件可承載的負荷作用力相對較高，可以滿足實際生產需要。在此基礎上，可通過聯合構件的方式，進行疊加構件極限承載力的試驗分析，經過分析發現，疊加后的構件整體承載力呈現一種上升趨勢，根據偏心受壓理論，對其疊加后的冷彎型鋼構件進行疊加承載力計算發現，整體結構的極限承載力大約提升20.0%。

4 結語

本文開展了冷彎型鋼壓彎極限承載力的試驗研究，通過此次試驗發現，冷彎型鋼構件的極限承載力為2300.0MPa，在超出其極限承載力后，構件存在斷裂趨勢，但整體結構并未發生明顯的失穩現象，證明構件的延展性相對較高。因此，可以認為冷彎型鋼材料符合常規工業生產與制造需求，可廣泛應用到市場。但此次試驗研究僅從結構的應變角度進行了分析，并未對構件的撓度展開進一步計算，為了掌握冷彎型鋼材料的更多性能，仍需要經過后續試驗對其進行驗證。