任軼蕾,石鑫朔,任小強(qiáng),孟蕾,王森林

組合工字鋼結(jié)構(gòu)鋼梁受力性能試驗(yàn)研究與分析

任軼蕾1,2,石鑫朔1*,任小強(qiáng)1,2,孟蕾1,王森林1,2

1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程系, 河北 保定 071000 2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071000

為解決輕鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場施工較難定位安裝的問題，本文對(duì)自攻螺釘連接的組合工字鋼鋼梁進(jìn)行了受力性能試驗(yàn)，研究了不同自攻螺釘間距對(duì)鋼梁極限承載力和撓度變形的影響，分析了組合工字鋼在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中的抗彎剛度等效系數(shù)問題，并采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了試驗(yàn)的有效性。研究結(jié)果表明，自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼結(jié)構(gòu)鋼梁的極限承載力影響不大，而對(duì)撓度變形有一定影響，自攻螺釘呈現(xiàn)剪切破壞。

鋼結(jié)構(gòu)梁; 受力性能; 試驗(yàn)與分析

隨著我國鄉(xiāng)村振興計(jì)劃的實(shí)施，在美麗鄉(xiāng)村建設(shè)過程中，農(nóng)村低層輕鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅得到了更為廣泛的應(yīng)用[1]。低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅相對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展較為成熟，產(chǎn)業(yè)化程度較高[2,3]。

輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系梁柱構(gòu)件多選用H型鋼、方鋼管等截面形式，梁柱連接節(jié)點(diǎn)常采用螺栓連接[4]。螺栓連接節(jié)點(diǎn)形式對(duì)螺栓孔定位精度要求較高，由于施工中存在累計(jì)安裝誤差，螺栓連接節(jié)點(diǎn)在鋼構(gòu)件安裝時(shí)會(huì)有較大難度。張長彬提出一種T型鋼通過自攻螺釘連接的組合工字鋼結(jié)構(gòu)形式[5]，自攻螺釘安裝簡單快捷，可有效提高鋼結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度?？底雍銓?duì)T型鋼連接的組合工字鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并建立了節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角數(shù)學(xué)表達(dá)式，但未考慮組合工字鋼構(gòu)件的力學(xué)性能[6]。

如圖1所示，組合工字鋼結(jié)構(gòu)是兩個(gè)截面大小不同的T型鋼通過自攻螺釘快裝而成，其中小T型鋼翼緣和內(nèi)嵌墻板中的鋼龍骨在工廠焊接成整體墻板，小T型鋼和大T型鋼在施工現(xiàn)場通過自攻螺釘連接組成組合工字鋼柱。

圖 1 組合工字鋼

T型鋼連接的組合工字鋼結(jié)構(gòu)截面雖然同工字鋼、H型鋼類似，但組合工字鋼腹板厚度不一，力學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜。為研究組合工字鋼結(jié)構(gòu)的受力性能，本文對(duì)組合工字鋼梁構(gòu)件進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究，采用有限元方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析結(jié)果可用于實(shí)際設(shè)計(jì)施工使用。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼結(jié)構(gòu)受力性能的影響，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)試件。T型鋼由熱軋焊接型鋼切割形成，大T型鋼截面尺寸為149×149×5.5×8（mm），小T型鋼截面尺寸為120×70×4.75×4.75（mm），自攻螺釘選用直徑為8 mm的SWCH22A反滑齒鉆尾絲，自攻螺釘間距分別為300 mm、400 mm和500 mm，試件參數(shù)如表1所示。

表 1 試件參數(shù)

表注：ZHZ表示組合工字鋼鋼梁，300表示自攻螺釘間距為300 mm，其余類同。

表Note: ZHZ stands for composite I-steel beam, 300 stands for self-tapping screw spacing of 300 mm, and the rest are similar.

1.2 材料性能

T型鋼材質(zhì)為Q345B鋼材，自攻螺釘為SWCH22A反滑齒鉆尾絲。材性試驗(yàn)符合《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》GB/T228.1-2010和《金屬材料線材和鉚釘剪切試驗(yàn)方法》GB/T 6400-2007標(biāo)準(zhǔn)，自攻螺釘和鋼材的主要力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表 2 材料性能

1.3 加載裝置

試驗(yàn)在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)加載裝置有反力架、30 t液壓千斤頂、DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)、ZS1240-Y30壓力傳感器、ZS-1100一維位移傳感器等。

組合工字鋼鋼梁擱置在刀口鉸上，刀口鉸通過螺栓與反力架鋼梁固定。利用液壓千斤頂在鋼梁跨中位置對(duì)試件進(jìn)行豎向加載，加載裝置如圖2所示。

圖 2 加載裝置

為了觀測鋼梁撓度變化，在組合工字鋼梁跨中上翼緣布置一個(gè)豎向位移計(jì)，在鋼梁下翼緣四分點(diǎn)位置中間三點(diǎn)處各布置三個(gè)豎向位移計(jì)。在小T型鋼腹板自攻螺釘孔上部附近布置應(yīng)變片。

1.4 加載制度

為檢驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)備是否可靠，保證試件各部分接觸良好并能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，在試驗(yàn)開始前首先對(duì)組合工字鋼鋼梁進(jìn)行預(yù)加載處理，預(yù)加荷載值為預(yù)估極限荷載的20%。

正式加載采用分級(jí)加載方式，每級(jí)持荷時(shí)間為2 min，待試件趨于穩(wěn)定時(shí)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

加載方式分為力控制加載和位移控制加載兩階段。自加載開始至預(yù)估極限承載力80%時(shí)，每級(jí)荷載取預(yù)估極限荷載的5%；然后為位移加載，位移增量為2 mm，直到試件破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件ZHZ-300在初始加載階段受力性能較好，未見異?，F(xiàn)象。隨著荷載不斷增加，鋼梁跨中撓度逐漸增大，跨中自攻螺釘出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。當(dāng)加載至40 kN左右時(shí)，上部小T型鋼撓度相對(duì)于下部大T型鋼撓度變形較大，腹板出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，跨中自攻螺釘向上傾斜，而兩側(cè)自攻螺釘則向下傾斜。當(dāng)加載至67 kN時(shí)試件時(shí)，試件出現(xiàn)異響，跨中自攻螺釘剪斷，試驗(yàn)結(jié)束。這是由于簡支梁在跨中集中荷載作用下，跨中位置剪力突變，自攻螺釘剪切破壞。試件ZHZ-300試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖 3 試件ZHZ-300

試件ZHZ-400的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，試件ZHZ-400和試件ZHZ-500試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果類似。在初始加載階段受力性能較好，未見異?，F(xiàn)象。隨著荷載不斷增加，鋼梁跨中撓度逐漸增大，自攻螺釘出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，試件兩側(cè)自攻螺釘傾斜現(xiàn)象稍明顯。當(dāng)荷載分別加至66 kN和63 kN時(shí)，試件發(fā)出異響，此時(shí)兩組試件最外側(cè)自攻螺釘分別出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)束。ZHZ-400和試件ZHZ-500中自攻螺釘數(shù)目為4個(gè)，跨中位置沒有布置自攻螺釘，試件最外側(cè)兩端處螺釘位于支座上方，此處自攻螺釘剪切破壞。

圖 4 試件ZHZ-400

3 結(jié)果與分析

試件的極限荷載和撓度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可看出，隨著自攻螺釘間距的增加，極限破壞荷載隨之減小，而跨中撓度隨之增大。自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼鋼梁的極限承載力影響不大，對(duì)跨中撓度有一定影響。

表 3 試驗(yàn)結(jié)果

試件的荷載－位移曲線如圖5所示，從圖中可看出，三個(gè)試件荷載位移曲線變化規(guī)律基本相同。試件從初始加載至臨界破壞階段，荷載位移曲線均為線性比例關(guān)系，而且自攻螺釘間距影響較小。當(dāng)荷載臨近試件的極限承載力時(shí)，荷載位移曲線曲線呈入非線性關(guān)系。

圖 5 荷載－位移曲線

4 組合工字鋼截面性質(zhì)分析

組合工字鋼腹板厚度不一，給實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用帶來一定難度。由于組合工字鋼外形同H型鋼類似，可采用修正H型鋼抗彎剛度系數(shù)的方法進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。利用簡支梁在跨中集中荷載作用下?lián)隙扔?jì)算公式，根據(jù)撓度相等原則可計(jì)算得到得到組合工字鋼抗彎剛度修正系數(shù)。

抗彎剛度修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示，從表中可看出，組合工字鋼的等效抗彎剛度為相同截面尺寸的H型鋼抗彎剛度的50%左右。隨著自攻螺釘間距的增大，組合工字鋼的等效抗彎剛度修正系數(shù)減小，自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼的等效彎曲剛度影響較為明顯。

表 4 抗彎剛度修正系數(shù)

5 有限元分析

5.1 分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)組合工字鋼鋼梁試件進(jìn)行建模，分析單元均選用C3D20R單元，模型材料參數(shù)見表2?？紤]材料非線性問題，組合工字鋼的本構(gòu)關(guān)系曲線采用含屈服臺(tái)階的多段線模型。同時(shí)考慮接觸非線性，模型中自攻螺釘和螺孔、大小T型鋼腹板間均定義為面接觸。有限元分析模型的邊界條件及荷載同試驗(yàn)一致。

5.2 應(yīng)力分析結(jié)果

圖6為試件ZHZ-300承受極限承載力時(shí)的應(yīng)力云圖。從圖中可看出，組合工字鋼鋼梁支座處和自攻螺釘附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，鋼梁跨中自攻螺釘周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中自攻螺釘螺桿處，且呈剪切破壞現(xiàn)象。自攻螺釘?shù)腣on Mises等效應(yīng)力最大值為1516 MPa，超過了自攻螺釘抗剪強(qiáng)度。有限元分析結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖 6 ZHZ-300應(yīng)力云圖

試件ZHZ-400和ZHZ-500的有限元分析結(jié)果相似，ZHZ-400承受極限承載力時(shí)的應(yīng)力云圖如圖7所示，由于跨中位置沒有布置自攻螺釘，鋼梁兩端螺釘位置應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼梁兩端自攻螺釘螺桿處，且呈剪切破壞現(xiàn)象。自攻螺釘?shù)腣on Mises等效應(yīng)力最大值為1 272 MPa，超過了自攻螺釘抗剪強(qiáng)度。有限元分析結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖 7 ZHZ-500應(yīng)力云圖

三個(gè)試件跨中荷載－位移曲線有限元分析結(jié)果如圖8所示，有限元分析結(jié)果中荷載－位移曲線的變化趨勢同試驗(yàn)結(jié)果相似，但有限元分析結(jié)果中初始斜率和極限承載力均高于試驗(yàn)值。這是因?yàn)椴牧蠈傩栽趯?shí)際中并不是完全理想狀態(tài)，而且在試件安裝過程中存在安裝誤差。

（a）ZHZ-300（b）ZHZ-400（c）ZHZ-500

6 結(jié) 論

（1）組合工字鋼鋼梁受力試驗(yàn)結(jié)果表明，T型鋼受力性能良好，自攻螺釘呈剪切破壞。跨中布置自攻螺釘，則跨中自攻螺釘剪切破壞，跨中不布置自攻螺釘，則鋼梁支座處自攻螺釘呈剪切破壞；

（2）隨著自攻螺釘間距的增加，極限破壞荷載隨之減小，而跨中撓度隨之增大。自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼鋼梁的極限承載力影響不大，對(duì)跨中撓度有一定影響；

（3）組合工字鋼的等效抗彎剛度為相同截面尺寸的H型鋼抗彎剛度的50%左右。隨著自攻螺釘間距的增大，組合工字鋼的等效抗彎剛度修正系數(shù)減小，自攻螺釘間距對(duì)組合工字鋼的等效彎曲剛度影響較為明顯。

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Experimental Study and Analysis on Mechanical Properties of Composite I-steel Beam

REN Yi-lei1,2, SHI Xin-shuo1*, REN Xiao-qiang1,2, MENG Lei1, WANG Sen-lin1,2

1.071000,2.071000,

To solve the problems thatthe steel structure housing system meets the requirements of environmental protection and sustainable development. Light steel structure has more advantages, such as low weight, simple structure, fast construction speed, and more importantly, low price. As an environment-friendly product, it has been widely used in infrastructure construction. In this paper, the material mechanical properties of combined I-beams are obtained through static test on beams and columns of combined I-beams made of T-section steel connected by tapping screws, providing experimental and theoretical basis for the research of combined I-beam light housing systems. In the experiment, the ABAQUS, a finite element analysis software, was used to simulate its force performance to verify the validity of the model, and then perform parameter analysis on this basis. In this experiment, domestic and foreign light steel structure research results, practical engineering applications, and various patents have been fully referenced, and the basic materials have been selected reasonably to test the beam-column specimens connected by tapping screws and the single frame system. Through data analysis, the load-displacement curve and the failure mechanism of the component is clarified and the influence of various factors on the performance of the test piece is comprehensively analyzed. Then the design method of the light housing systems connected with combined I-beam made of tapping screws and corresponding technical regulations is determined, thus promoting the development of prefabricated light steel structure housing.

Steel structure beam; force performance; experment and analysis

TU392.5/TU323.3

A

1000-2324(2022)02-0320-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.021

2021-11-01

2021-12-27

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2020204031)

任軼蕾(1967-),女,碩士,副教授,主要從事建筑結(jié)構(gòu)工作. E-mail:ryl_111@126.com

Author for correspondence. E-mail:sxsyx2022@163.com