魏凌江

（河源市天源水利水電工程咨詢有限公司，廣東 河源 517000）

1 引言

復(fù)合型高性能鋼材具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常被制為工字形鋼柱應(yīng)用于實(shí)際工程中，為規(guī)范其設(shè)計(jì)及使用，許多專家學(xué)者針對(duì)其受壓性能和穩(wěn)定性開展研究。

冉紅東等人以激光焊接不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)其較小軸心抗壓試驗(yàn)，并且結(jié)合數(shù)值模擬，修正穩(wěn)定性計(jì)算系數(shù)。沈樂(lè)等人以鋼管混凝土短柱為研究對(duì)象，開展軸壓試驗(yàn)，研究其整體的穩(wěn)定性和抗壓性能。徐善華等人以H型鋼短柱為研究對(duì)象，研究其承載能力的變化趨勢(shì)。王飛等人利用有限元軟件，分析軸力對(duì)U 形加勁板極限承載力的影響。王宇豪等人利用有限元軟件，分析延性指標(biāo)對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼-木組合圓形柱力學(xué)性能的影響。

以工字形鋼柱為研究對(duì)象，修正其幾何初始缺陷，分析其在受壓情況下的整體穩(wěn)定性，研究不同荷載作用下，不同截面尺寸對(duì)其位移、轉(zhuǎn)角及應(yīng)變的影響。

2 試驗(yàn)方案

此研究以工字形鋼柱為研究對(duì)象，其屈服強(qiáng)度為460 MPa，分析不同截面尺寸下，其整體穩(wěn)定性，6 種工字形鋼的相關(guān)尺寸參數(shù)如表1 所示。B 為試樣截面寬度，H 為試樣截面高度，tf和tw分別為試樣截面鋼板厚度，L0為試件長(zhǎng)度。

表1 鋼柱尺寸參數(shù)表

此研究采用的鋼板厚度分別為10 mm和14 mm，其力學(xué)性能如表2所示。

表2 鋼板力學(xué)性能表

由于試樣在制造過(guò)程中存在一定的誤差，為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用激光水平投射儀對(duì)試件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，以得出試樣的相關(guān)尺寸參數(shù)，根據(jù)初始彎曲量和初偏心量，計(jì)算得到試件的集合初始測(cè)量值，其值如表3 所示。其中，v1、v2、v3和v0為試件的初彎曲幅值，ex和ey分別為x、y方向的偏心量，e為試件的幾何初始缺陷，L為試件長(zhǎng)度。

表3 試件的幾何初始缺陷表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

此研究中試驗(yàn)破壞形式均為整體失穩(wěn)，其豎向位移較大，在移除荷載后，試樣有一定程度的恢復(fù)，呈彈性變形趨勢(shì)。為研究試樣所受荷載與其位移之間的關(guān)系，分別分析其橫向位移與軸向位移與施加荷載之間的關(guān)系。

結(jié)果表明隨著軸向和橫向位移的增大，試樣所受的荷載呈先增大后減小的趨勢(shì)。在試樣發(fā)生橫向變形的初期，其變形量較小，且承受的荷載較大，隨著橫向位移的增大，試樣發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，其橫向位移迅速增大，且所受荷載減小，即發(fā)生破壞。對(duì)于軸向位移而言，軸向位移較小時(shí)，其荷載呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，隨著軸向位移的增大，其所承受的荷載發(fā)生突變，隨著軸向位移的增大而減小。不同試樣的位移-荷載曲線變化趨勢(shì)總體一致，但是其數(shù)值的大小有所差異，其曲線變化趨勢(shì)表現(xiàn)為彎曲失穩(wěn)狀態(tài)。

為研究試樣的受扭情況，選取試件1 和試件為研究對(duì)象，分析試件在受力過(guò)程種柱端轉(zhuǎn)角及其應(yīng)變的變化情況。

可知，1 試樣與2 試樣的轉(zhuǎn)角-荷載曲線變化趨勢(shì)一致，試樣的右端轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的最大荷載大于試樣的左端荷載對(duì)應(yīng)的最大荷載。在變形初期，柱端承受的荷載增長(zhǎng)速度較大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近于線性增長(zhǎng)，隨著柱端轉(zhuǎn)角的增大，試樣所承受的荷載逐漸減小，當(dāng)柱端轉(zhuǎn)角為2.50°左右時(shí)，試樣1所承受的荷載顯著減小，且其轉(zhuǎn)角有微弱的回縮趨勢(shì)。當(dāng)樁端轉(zhuǎn)角為3.00°左右時(shí)，試樣2所承受的荷載發(fā)生突變，顯著減小，且其柱端轉(zhuǎn)角有回縮趨勢(shì)，其回縮量大于試件1的回縮量。

隨應(yīng)變的增大，試樣沿截面的相對(duì)位置逐漸減小。加載結(jié)束的應(yīng)變變化量較大，50%穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值和100%穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值的應(yīng)變變化量較小。其中，100%穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值作用下的應(yīng)變變化量大于50%穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值作用下的應(yīng)變變化量。

由于試樣1的長(zhǎng)細(xì)比較小，其應(yīng)變變化量大于試件2的應(yīng)變變化量，但是兩種試樣的應(yīng)變變化量均較小，以上兩種試樣的破壞形式均為彈性失穩(wěn)。

4 結(jié)論

此研究以工字形鋼柱為研究對(duì)象，修正其幾何初始缺陷，分析其在受壓情況下的整體穩(wěn)定性，研究不同荷載作用下，不同截面尺寸對(duì)其位移、轉(zhuǎn)角，及應(yīng)變的影響，結(jié)論如下：①隨著軸向和橫向位移的增大，試樣所受的荷載呈先增大后減小的趨勢(shì)。在試樣發(fā)生橫向變形的初期，其變形量較小，且承受的荷載較大，隨著橫向位移的增大，試樣發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，其橫向位移迅速增大，且所受荷載減小，即發(fā)生破壞。對(duì)于軸向位移而言，軸向位移較小時(shí)，其荷載呈線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，隨著軸向位移的增大，其所承受的荷載發(fā)生突變，隨著軸向位移的增大而減小。②1試樣與2試樣的轉(zhuǎn)角-荷載曲線變化趨勢(shì)一致，試樣的右端轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的最大荷載大于試樣的左端荷載對(duì)應(yīng)的最大荷載。在變形初期，柱端承受的荷載增長(zhǎng)速度較大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)接近于線性增長(zhǎng)，隨著柱端轉(zhuǎn)角的增大，試樣所承受的荷載逐漸減小，當(dāng)柱端轉(zhuǎn)角為2.50°左右時(shí)，試樣1所承受的荷載顯著減小，且其轉(zhuǎn)角有微弱的回縮趨勢(shì)。