楊 璐 徐東辰 尚 帆 王元清 張 勇

(1北京工業(yè)大學建筑工程學院, 北京 100124)(2北京交通大學土木建筑工程學院, 北京 100044)(3清華大學土木工程系, 北京 100084)

雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓構件整體穩(wěn)定性能試驗研究

楊 璐1徐東辰2尚 帆1王元清3張 勇2

(1北京工業(yè)大學建筑工程學院, 北京 100124)(2北京交通大學土木建筑工程學院, 北京 100044)(3清華大學土木工程系, 北京 100084)

為了研究雙相型不銹鋼材在軸心受壓下的整體穩(wěn)定性能,對6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面柱進行了軸心受壓試驗.在試驗前對試件的幾何初彎曲進行了測量,在試驗過程中對荷載初偏心進行了量測.根據(jù)試驗數(shù)據(jù),分析了構件的失穩(wěn)變形特征和整體穩(wěn)定承載力,并與歐洲鋼結構規(guī)范(EN 1993-1-4)和中國鋼結構規(guī)范(GB50017—2003)的計算結果進行了對比.結果表明,試驗數(shù)據(jù)均高于歐洲規(guī)范計算值,但整體低于中國鋼結構規(guī)范方法的計算值;同時說明歐洲規(guī)范采用的設計曲線偏保守,而中國鋼結構規(guī)范所采用的設計曲線應做相應的調整.

雙相型不銹鋼;焊接箱形截面;軸壓柱;整體穩(wěn)定;承載性能

不銹鋼結構具有造型美觀、耐腐蝕性好、易于維護和全壽命周期成本低等優(yōu)點,因而在建筑結構中有廣闊的適用性[1],特別是在海洋平臺、跨海橋梁、儲備抗腐蝕性介質的廠房和倉庫等特殊環(huán)境下,采用不銹鋼材將顯著降低結構的維護費用,延長結構使用壽命年限,降低結構的全壽命周期成本[2].

近年來,國外研究學者對不銹鋼材料進行了深入的研究,并修訂了相關設計規(guī)范.主要研究的領域集中在不銹鋼的材料性能[3-6]、不銹鋼鋼材的截面殘余應力[7-9]、不銹鋼材料構件的局部穩(wěn)定[10-14]等方面.Young等[15]對冷彎成型的不銹鋼材料圓管柱進行了試件穩(wěn)定性試驗研究,得到了局部屈曲、整體屈曲以及整體和局部的相關屈曲等失效模態(tài),并結合試驗數(shù)據(jù)評估了當前應用的規(guī)范設計公式.Gardner等[16]進行了不銹鋼的短柱試驗,并對現(xiàn)行歐洲規(guī)范的計算結果進行了對比,提出了設計建議和新的方法.

目前我國在不銹鋼結構領域的研究尚處于起步階段,王元清等[17-18]對焊接不銹鋼梁的整體穩(wěn)定性能進行了試驗研究以及有限元分析,并對鋼結構設計規(guī)范提出了修正設計建議公式.鄭寶峰[19]對冷彎薄壁不銹鋼材料試件開展了軸心受壓試驗研究,并結合試驗數(shù)據(jù)和有限元參數(shù)分析結果提出了不銹鋼承載能力的建議計算公式.然而目前國內外開展的相關研究大部分只局限在冷成型的不銹鋼構件部分,還沒有針對不銹鋼焊接截面軸壓構件進行相關的研究.與此同時,國內還沒有制定相關的結構設計規(guī)范,這極大地制約了不銹鋼結構在我國的推廣與應用.

為了研究雙相型不銹鋼材軸心受壓構件的整體穩(wěn)定性能,本文對6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面試驗柱進行了軸心受壓試驗研究.重點考察了此類構件的失穩(wěn)形式、整體穩(wěn)定承載力以及截面應力的發(fā)展,加深對此類軸壓桿的失穩(wěn)模態(tài)和穩(wěn)定承載力的認識,并將實驗值與現(xiàn)行規(guī)范進行對比,結果可供相關研究參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

本試驗的研究對象為6根雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓試件,采用E308型焊條對雙相型不銹鋼進行焊接,翼緣和腹板之間采用全焊透的對接焊縫連接,焊腳尺寸hb=5 mm,如圖1所示.

圖1 箱形截面尺寸符號

試件的實測的幾何尺寸見表1,表中,L為試件幾何長度;Lt為鋼柱兩端單刀鉸支座轉動中心間距(Lt=L+340).所有構件的設計均經過初始計算和數(shù)值模擬,盡量確保試件在試驗過程中發(fā)生整體失穩(wěn)和避免發(fā)生局部屈曲.考慮到不銹鋼材料有一定程度的各向異性,構件加工時確保長度方向與軋制方向一致.

表1 試件實測幾何尺寸 mm

1.2 材性試驗

試驗開始前,對雙相型不銹鋼進行材料性能試驗,測得了雙相型不銹鋼軋制方向的材料屬性,如表2所示.將材料性能試驗結果與現(xiàn)行歐洲鋼結構設計規(guī)范EN 1993-1-4中的應力-應變模型曲線進行對比,結果如圖2所示.

表2 軋制方向材料屬性

圖2 應力-應變試驗曲線

1.3 試驗裝置

試驗過程中使用的加載裝置如圖3所示,采用

圖3 試驗加載裝置

500 t液壓式長柱壓力試驗機進行加載.加載過程中,試件兩端各布置一個單刀鉸,使得加載裝置與柱子端部實現(xiàn)單向鉸接,單刀鉸的轉動軸線與試件彎曲失穩(wěn)平面垂直;單刀鉸轉動中心至柱端面距離為170 mm,因此試件的鉸接長度Lt=L+340.

1.4 測量

位移計架設如圖4所示,位移計LVDT-5和LVDT-6用于測量試件失穩(wěn)平面內的水平位移,同時在柱中失穩(wěn)平面外設置一個位移計LVDT-7用于測量試件失穩(wěn)時失穩(wěn)平面外柱中截面的水平位移,位移計LVDT-3 和LVDT-4 用于測量試件的豎向變形,即柱底端千斤頂?shù)募虞d點位移;上、下兩端單刀鉸兩側的位移計LVDT-1,LVDT-2 以及LVDT-8,LVDT-9 用于測量柱端的轉角.

圖4 位移計架設示意圖

對于兩端鉸接軸壓鋼柱,通常情況下,柱中截面是失穩(wěn)臨界截面,因此試驗過程中,在所有試件的柱中截面布置了8個應變片，用于分析該臨界截面的應變分布;在柱兩端截面各布置4個應變片,用于推算試件在彈性受力階段端部截面應變分布的荷載初

偏心值,應變片布置如圖5所示.

(a) 柱端截面

在試驗開始前,對每個試件的整體幾何初始彎曲進行了測量,采用光學測量設備測量沿柱長方向四分點位置處截面中心偏離柱兩端截面中心連線的距離(d1,d2及d3),并取最大值作為試件的幾何初始彎曲值d0.

由于實際操作過程中無法直接測量試件截面中心的偏離值,因此測量過程中取鋼柱四條棱邊在同一截面位置處沿某一方向偏離值的平均值，以此值作為截面中心線的偏離值.對每個試件平面內的初彎曲值均進行了測量,結果見表3.

表3 試件平面內幾何初始缺陷測量結果

在表3中,eot,eob表示由柱端應變片數(shù)據(jù)反算得出的頂端和柱子底端的荷載偏心值;e為總的幾何初始缺陷長度,按照e=d0+(e0b+e0t)/2進行計算;符號相反的幾何初始缺陷測量結果表示其在豎向荷載作用下產生的附加彎矩方向相反.

2 試驗結果及分析

2.1 失穩(wěn)模態(tài)及變形分析

試驗結果表明,所有試件均發(fā)生整體彎曲失穩(wěn),圖6為典型失穩(wěn)模態(tài).

為了研究不銹鋼試件的失穩(wěn)變形發(fā)展規(guī)律及截面應變發(fā)展情況,圖7給出了焊接箱形截面全部構件荷載位移曲線(包括荷載-豎向位移曲線、荷載-柱中水平位移曲線).圖8給出了試件S2205-4000-B的荷載-柱端轉角曲線及柱中截面應變分布曲線;其余試件的變形應力發(fā)展規(guī)律與該試件相似.

(a) S2205-2000

(b) S2205-1500

圖8(a)為試件的柱端轉角曲線,曲線較為平滑,表明柱兩端的單刀鉸較為理想,能夠靈活轉動.從圖8(b)中可以看出,試件S2205-4000-B失穩(wěn)時,柱中截面最大應變均未超過屈服應變,截面未達到屈服,屬于彈性失穩(wěn),失穩(wěn)后部分截面屈服.試件S2205-4000和S2205-3500的失穩(wěn)模態(tài)與試件S2205-4000-B的失穩(wěn)模態(tài)相同,但其余試件卻展現(xiàn)了另外2種失穩(wěn)模態(tài),如圖9所示.從圖9(a)可以看出,試件S2205-1500發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時,柱中截面應變幾乎全部超過了屈服應變,因此試件S2205-1500的失穩(wěn)模態(tài)屬于塑性失穩(wěn).如圖9(b)所示,試件S2205-3000發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象時,柱中部分截面應變超過了屈服應變,部分截面應變還未達到屈服應變,因此試件S2205-3000的失穩(wěn)模態(tài)屬于彈塑性失穩(wěn).試件S2205-2000失穩(wěn)模態(tài)與試件S2205-3000相同.所有試件均沒有出現(xiàn)板件局部屈曲的現(xiàn)象.

(a) 荷載-豎向位移曲線

(b) 荷載-柱中截面水平位移曲線

(a) 荷載-柱端轉角曲線

(b) 柱中截面應變分布及發(fā)展

(a) S2205-1500

(b) S2205-3000

2.2 穩(wěn)定承載力

按照極限承載力理論確定構件的極限承載力.受壓柱的整體穩(wěn)定承載力Pu根據(jù)壓力試驗機的力傳感器讀數(shù)得到(見表4).采用下式計算整體穩(wěn)定系數(shù)φ:

(1)

式中,A為試件截面面積;fy為鋼材的屈服強度實測值.

表4也給出了其他相關的計算結果,包括構件計算長度Lt、長細比λ以及截面分類、整體穩(wěn)定系數(shù)試驗值φ及屈曲折減系數(shù)試驗值χ、歐洲鋼結構規(guī)范中的穩(wěn)定承載力計算值P1、中國鋼結構規(guī)范中的穩(wěn)定承載力計算值P2等.

表4 構件穩(wěn)定承載力及長細比λn

在歐洲鋼結構規(guī)范EN 1993-1-4中,受壓構件的整體穩(wěn)定承載力為

(2)

式中,γM1為針對構件穩(wěn)定而設計的抗力分項系數(shù),對于建筑結構取1.1.對不銹鋼材料,可采用σ0.2來替代屈服強度fy.

采用下式計算屈曲折減系數(shù)χ:

(3)

在中國鋼結構規(guī)范[21]中,受壓構件的整體穩(wěn)定承載力為

P2=φAfy

(4)

針對不銹鋼材料,采用σ0.2替代fy.本次試驗中采用的焊接箱形截面構件的板件寬厚比大于20,因而根據(jù)中國鋼結構規(guī)范規(guī)定,采用b類曲線.

根據(jù)試驗結果將每個試件算得正則化長細比，并與采用歐洲規(guī)范EN 1993-1-4設計曲線和中國鋼結構設計規(guī)范設計曲線進行對比,結果如圖10所示.可以看出,所有試件的試驗值均高于歐洲規(guī)范曲線中的設計值；除個別值低于中國規(guī)范設計曲線中的設計值外，其余試驗值與中國規(guī)范曲線的設計值接近.表明歐洲規(guī)范EN 1993-1-4采用的設計曲線較為合理,能較為準確地反映試件承載力和屈曲折減系數(shù)之間的變化規(guī)律,而中國鋼結構規(guī)范所采用的設計曲線可能高于構件的實際穩(wěn)定承載力,這樣易導致設計不安全,不能滿足工程設計與實際的要求,應做相應的調整和修正.

(a) 與歐洲規(guī)范設計曲線比較

(b) 與中國規(guī)范設計曲線比較

3 結論

1) 對于雙相型不銹鋼焊接箱型截面軸壓構件,試件的失穩(wěn)模態(tài)分為彈性失穩(wěn)、彈塑性失穩(wěn)和塑性失穩(wěn)3種失穩(wěn)模態(tài),試驗過程中試件沒有發(fā)生板件的局部屈曲現(xiàn)象.

2) 通過試驗數(shù)據(jù)與歐洲EN 1993-1-4和中國鋼結構規(guī)范比較的結果可以看出,本文試驗的試件試驗數(shù)據(jù)均高于歐洲規(guī)范中相應的設計曲線,而試件試驗數(shù)據(jù)則個別低于中國規(guī)范中的相應的設計曲線.表明歐洲規(guī)范EN 1993-1-4中采用的c類曲線較為保守,而中國鋼結構規(guī)范采用的設計曲線則不適用,需要進一步調整和修正.

3) 本文試驗結果表明,現(xiàn)行中國鋼結構規(guī)范不能滿足不銹鋼構件的設計要求,因而，本文工作對未來我國不銹鋼鋼結構設計規(guī)范的編制工作有一定的推動作用.同時本文試驗所得的數(shù)據(jù)也為未來不銹鋼材料的整體穩(wěn)定的數(shù)值計算模型驗證以及相關設計方法的提出提供了相關的試驗依據(jù).

References)

[1]Burgan B A, Baddoo N R, Gilsenan K A. Structural design of stainless steel members: comparison between Eurocode 3, Part 1.4 and test results [J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2000, 54(1): 51-73.

[2]Gardner L. The use of stainless steel in structures [J].ProgressinStructuralEngineeringandMaterials, 2005, 7(2): 45-55.

[3]van den Berg G J, van der Merwe P. Collected papers of the chromium steel reasearch group[R]. Johannesburg, South Africa: Rand Afrikaans University,1992.

[4]van den Berg G J, van der Merwe P. Collected papers of the chromium steel reasearch group[R]. Johannesburg, South Africa: Rand Afrikaans University, 1993.

[5]van den Berg G J, van der Merwe P. Collected papers of the chromium steel reasearch group[R]. Johannesburg, South Africa: Rand Afrikaans University, 1994.

[6]van den Berg G J, van der Merwe P. Collected papers of the chromium steel reasearch group[R]. Johannesburg, South Africa: Rand Afrikaans University, 1995.

[7]Cruise R B, Gardner L. Residual stress analysis of structural stainless steel sections [J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2008, 64(3): 352-366.

[8]Gardner L, Cruise R B. Modeling of residual stresses in structural stainless steel sections [J].JournalofStructuralEngineering, 2009, 135(1): 42-53.

[9]Jandera M, Gardner L, Machacek J. Residual stresses in cold-rolled stainless steel hollow sections [J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2008, 64(11): 1255-1263.

[10]Gardner L, Theofanous M. Discrete and continuous treatment of local buckling in stainless steel elements [J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2008, 64(11): 1207-1216.

[11]van Wyk M L, van den Berg G J, van der Merwe P. Lateral torsional buckling strength of doubly symmetric stainless steel beams[C]//Proceedingsofthe10thInternationalSpecialtyConferenceonCold-FormedSteelStructures. St. Louis, Missouri: University of Missouri-Rolla, 1990: 493-504.

[12]Bredenkamp P J, van den Berg G J. The lateral torsional buckling strength of cold-formed stainless steel beams[C]//Proceedingsofthe12thInternationalSpecialtyConferenceonCold-FormedSteelStructures. St. Louis, Missouri, USA, 1994: 539-549.

[13]Korvink S A, van den Berg G J, van der Merwe P. Web crippling of stainless steel cold-formed beams[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 1995, 34(2): 225-248.

[14]Feng Zhou, Ben Young. Cold-formed stainless steel sections subjected to web crippling [J].JournalofStructuralEngineering, 2006, 132(1): 134-144.

[15]Young B, Hartono W. Compression tests of stainless steel tubular members [J].JournalofStructuralEngineering, 2002, 128(6): 754-761.

[16]Gardner L,Nethercot D A.Experiments on stainless steel hollow sections—part1: material and cross-sectional behaviour[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2004, 60(9): 1291-1318.

[17]王元清,高博,戴國欣,等.焊接工字形截面不銹鋼受彎構件的整體穩(wěn)定性分析[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版,2010,26(6):1021-1026. Wang Yuanqing, Gao Bo, Dai Guoxin, et al. Analysis on overall stability of stainless steel beams with welded I-section[J].JournalofShenyangJianzhuUniversity:NaturalScience, 2010, 26(6): 1021-1026.(in Chinese)

[18]王元清,高博,戴國欣,等.焊接不銹鋼工字形截面梁整體穩(wěn)定性試驗研究[J].建筑結構學報,2011,32(11):143-148. Wang Yuanqing, Gao Bo, Dai Guoxin, et al. Experimental study on lateral buckling behavior of stainless steel beams with welded I-sections[J].JournalofBuildingStructures, 2011, 32(11): 143-148. (in Chinese)

[19]鄭寶峰.不銹鋼冷彎薄壁型鋼軸心受壓和受彎構件理論分析與試驗研究[D].南京:東南大學土木工程學院,2010.

[20]European Committee for Standardization. EN 1993-1-4 Eurocode 3: design of steel structures: part 1-4: general rules: supplementary rules for stainless steels [S]. London, BSI, 2006.

[21]中華人民共和國建設部.GB50017—2003 鋼結構設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

Experimental study on overall buckling behavior of duplex stainless steel welded box columns under axial compression

Yang Lu1Xu Dongchen2Shang Fan1Wang Yuanqing3Zhang Yong2

(1School of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)(2School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)(3Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to investigate the overall buckling behaviour of duplex stainless steel columns under axial compression, the axial compression tests of six full-scale welded box-section specimens were carried out. The initial geometric imperfection of each specimens and the loading eccentricity were measured before and during the tests, respectively. Based on the test data, the overall buckling deformation characteristics and the buckling capacity of the specimens were analyzed, and compared with the calculation results of the European steel standard EN 1993-1-4 and the Chinese steel standard GB50017—2003. The results show that the test data is higher than the calculation results in EN 1993-1-4, but generally lower than those in GB50017—2003.Therefore, the design curves in EN 1993-1-4 are generally conservative, and the curve in GB50017—2003 should be adjusted correspondingly.

duplex stainless steel; welded box section; axial compression column; overall buckling; load capacity

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.029

2014-09-06. 作者簡介: 楊璐(1982—), 男,博士, 副教授, lyang@bjut.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51108007)、中國博士后科學基金特別資助項目(2014T70020).

楊璐,徐東辰,尚帆,等.雙相型不銹鋼焊接箱形截面軸壓構件整體穩(wěn)定性能試驗研究[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(2):364-369.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.029

TU391

A

1001-0505(2015)02-0364-06