武 胜1 王 蕊2
(1.东北林业大学土木工程学院， 哈尔滨 150040； 2.齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院， 黑龙江齐齐哈尔 161006)
摘 要：高强新型冷弯箱型组合截面构件由于双轴对称的截面特征，而有形心、弯心重合以及抗弯、抗扭刚度大等优点。为了研究其力学性能，选取17根高强新型冷弯箱型组合截面构件进行受弯试验，试件的壁厚均为1.1 mm。试验结果表明：截面宽度对DS1截面构件的力学性能影响不大，但对DS2截面构件的影响较为明显；截面宽度对构件的延性影响也较为明显，截面宽度越小构件延性越好；试件的高宽比对试件受弯极限承载力贡献较小，试件合理高宽比为2～4；构件的长度对试件受弯极限承载力有明显影响；构件以整体侧倾和局部压屈变形为主，少数构件出现畸变变形；DS1型截面构件受弯极限承载力比DS2型截面构件受弯极限承载力可提高20%左右。
关键词：冷弯薄壁型钢； 受弯构件； 力学性能； 试验研究
近几年来，高强冷弯薄壁型钢在我国得到迅速发展。高强钢材相对于普通钢材有其自身的材料特性：强度高、强屈比较小、无应力强化阶段以及塑性变形能力差等[1]。高强冷弯薄壁型钢截面形式多种多样，目前研究比较多的是C型钢及其加劲形式[2-3]，一般是将这种C型及其加劲截面形式构件作为短柱用来承压或承受压弯荷载，对于承受纯弯矩情况则研究得比较少，而且对于复杂加劲高强构件承受纯弯矩作用的力学性能研究目前还未见相关报道，所以需要做进一步的研究和完善。本文研究的一种新型截面高强冷弯薄壁型钢截面[4]，如图1所示。此种截面形式构件由于形成复杂加劲构件以及双轴对称的截面特征，所以有弯心、剪心重合以及抗弯、抗扭刚度大等特性。但是，由于复杂加劲致使其力学性能以及屈曲性能更加复杂，而且，对于复杂加劲截面构件性能的研究还不多，国内只有长安大学进行了较系统研究[5-7]，国外主要是针对∑型及其加劲截面构件的性能研究[8-9]，所以对高强复杂加劲冷弯构件进行基本荷载作用下的研究则更有实际意义。此前，对此种截面形式的普通强度冷弯薄壁型钢构件已经做了系统研究[10-11]，本文在已有研究基础上对17根高强新型冷弯箱型组合构件进行受弯力学性能的试验研究，全面分析对比两种截面构件的力学性能，以期全面掌握高强材料复杂加劲冷弯构件在承受纯弯矩作用下的力学性能。
a—DS1;b—DS2。
图1 高强新型箱型组合截面
试件由G550级冷弯薄壁型钢采取点焊的形式组合成箱型截面受弯构件，其截面形式如图1所示。试验材料为常熟星岛新兴建材有限公司生产的镀锌板材，基材厚度为1.1 mm，主要材料屈服强度约为650 MPa。其中，构件两边分别是变形的C型截面；焊接部分为了减小初始变形缺陷采取CO2气体保护焊，点焊的距离设置为150 mm；试件两端为防止发生侧向失稳均加焊端板，端板与构件的连接也采用点焊的形式。试件按截面形式分为两组，每组8个，DS2型加一个对比试件，一共17个试件，试件编号及其尺寸见表1。对比试件的尺寸与DS2-1相同。每个试件均不考虑其初始变形。
表1 试件尺寸 mm
试件编号thbghwlDS1-1、DS2-11.11505075101500DS1-2、DS2-21.11005050101500DS1-3、DS2-31.120050100101500DS1-4、DS2-41.125050125101500DS1-5、DS2-51.11507575151500DS1-6、DS2-61.115010075201500DS1-7、DS2-71.115012575251500DS1-8、DS2-81.11505075102000
试验加载设备采用反力架；手动QL20型螺旋千斤顶的起升高度为180 mm，最低高度为 325 mm，起重量为200 kN。加载方案如图2所示。为了测量试验试件的应变情况将18个应变片在构件跨中沿截面周边布置，具体应变片的粘贴位置见图3。DH-3816H 静态应变测量系统自动采集试验数据，并将所测数据直接存入计算机，制成文本文件。利用位移计进行位移测量，将位移计分别布置在梁两端的上翼缘处和跨中的下翼缘处。测量方案见图4。
图2 加载方案
a—DS1;b—DS2。
图3 应变片粘贴位置
1—分配梁; 2—试件。
注：D1—D3为位移计编号。
图4 位移计布置
3.1 极限荷载
表2为试件实测极限荷载以及极限应力，图5—图8为试件的荷载-应力曲线。经分析可知：实测试件的屈服荷载接近试件的受弯极限荷载，这主要是由于试件材料的强屈比接近于1，所以可将实测屈服荷载近似取为试件的受弯极限荷载。由表2可见：试件的极限应力与试件材料的极限应力还有差距，这主要由于对于这种冷弯薄壁型钢梁来说因壁厚小容易发生局部屈曲，所以材料强度不容易充分利用。DS2-1原试件与对比试件的承载力相近，变形模式一致，证明本文试验方法所得结果较为可靠。通过对图5和图6的分析可知：对于DS1型截面构件，截面的宽度对试件的极限承载力有影响，截面宽度越大，构件的极限承载力越小，同时截面宽度越小，在相同的荷载下构件变形越大，即构件的延性越好；截面高度的改变对构件的极限承载力的影响并不明显，但是可以看出高度的变化对试件的变形影响较大，在相同荷载的情况下高度越小变形越明显，也就是说高度越小会使构件的延性增加。而构件截面增高会导致试件更容易发生整体失稳破坏。
表2 试件的极限荷载及应力
试件编号屈曲荷载/kN屈曲应力/MPa试件编号屈曲荷载/kN屈曲应力/MPaDS1-1173320DS2-1(对比)140275DS1-2160356DS2-1140280DS1-3176220DS2-2121400DS1-417073DS2-3164202DS1-5153190DS2-411765DS1-6140105DS2-5137217DS1-711585DS2-6120225DS1-8160395DS2-7101116DS2-8123315
图5 DS1截面钢梁变宽度的荷载-应力曲线对比
3.2 试件破坏模式
试件破坏模式见表3，可以看出：试件的变形模式有3种，即整体侧倾、局部压屈以及畸变屈曲。其中试件都有不同程度的整体侧倾变形和局部压屈变形，而局部压屈变形在大多数试验构件的变形模式中占有主导地位，相应的整体弯曲并不十分明显，对于DS2试件当高宽比较大时还会发生畸变屈曲，见图7、图8。图9为DS2-4试件的变形模式。
图6 DS1截面钢梁变高度的荷载-应力曲线对比
图7 DS2截面钢梁变宽度的荷载-应力曲线对比
图8 DS2截面钢梁变高度的荷载-应力曲线对比
表3 试件变形模式
试件编号DS1-1DS1-2DS1-3DS1-4DS1-5DS1-6DS1-7DS1-8破坏模式F/LF/LF/L/DF/LF/LF/LF/LF/L/D试件编号DS2-1DS2-2DS2-3DS2-4DS2-5DS2-6DS2-7DS2-8破坏模式F/LF/L/DF/L/DF/LF/L/DF/LF/LF/L
注：F(Flexural Buckling)为整体侧倾；L(Local Buckling)为局部压屈；D(Distortional Buckling)为畸变屈曲。
图9 DS2-4试件变形模式F/L
图10 DS1组试件跨中荷载-挠度曲线(不同梁高)
图11 DS1组试件跨中荷载-挠度曲线(不同梁宽)
图12 DS2组试件跨中荷载-挠度曲线(不同梁高)
图13 DS2组试件跨中荷载-挠度曲线(不同梁宽)
3.3 跨中挠度
对于跨中挠度，采用跨中荷载-位移曲线的方式给予体现，图10—图13分别给出了两种截面形式构件的荷载-挠度曲线，其中P代表构件承受的荷载，s代表构件中点的挠度。 由图10与图12可见：随截面高度增大，DS1、DS2截面的刚度明显增大，相比而言，DS2截面刚度随截面高度增大的增幅更为明显。由图11与图13可见，随截面宽度增大，DS1、DS2截面的刚度变化规律不明显，应视不同的截面高宽比而确定。由图10—图13可见：对于高宽比较大的试件其试件挠度是随着荷载的增加逐步增加的。 由图11可见：对于DS1截面宽度为125 mm时，由于此时DS1截面的单板宽厚比过大，而使构件未能承受到极限承载力即发生破坏，致使曲线当承载力未到极限值即发生明显的转折现象，这提醒实际应用DS1构件时，不能使单板的宽厚比取得过大，以免造成脆性破坏。
1)试件截面的高度对构件受力影响较大，但是过高的截面会引起构件的失稳。试件的宽度对DS1型试件受力影响不大，对DS2截面试件影响较大，但是试件截面的宽度会影响试件的变形情况，对试件的延性有影响，截面宽度越小试件的延性越好。试件高宽比过大或过小对试件受弯极限承载力贡献较小。
2)在其余试件参数相同条件下，试件长度的增加会使试件的受弯承载力明显提高。
3)在参数相同的条件下，DS1型截面试件受弯力极限承载力比DS2型截面试件抗弯极限承载力提高20%，说明DS1型截面试件比DS2型截面试件具有更好的抗弯承载性能。
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(1.College of Civil Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China；2.College of Architecture and Civil Engineering, Qiqihar University, Qiqihar 161006, China)
ABSTRACT：Due to the cross-section with dual-axisymmetry, a new type of high-strength cold-formed box composite section has the advantages of the superposition of centroid and bending center, large bending and torsional stiffness. In order to study its mechanical behavior, 17 specimens of new-kind high-strength cold-formed box composite section were tested under bending loading.The wall thickness of specimens were all 1.1 mm.The experimental results showed that the section width of the member had little effect on the mechanical behavior of DS1, the influence on the DS2 section member was obvious, but the section width of member had effect on the ductility of the member, the smaller section width of member ,the better of the member’s ductility; the depth-width ratio of specimens had very little contribution to the specimens’ flexural bearing capacity, the reasonable depth-width ratio should be 2 to 4; the length of specimens had significant effect on flexural strength; the most members appeared to flexural buckling and local buckling, a few appeared to distortion buckling the ultimate bending bearing capacity of DS1 type section member could increased by 20% than the DS2 type one.
KEY WORDS：cold-formed thin-walled steel； flexural members； mechanical behavior； experimental research
DOI:10.13206/j.gjg201603012
收稿日期：2015-07-28
*中央高校基本科研业务费专项基金(DL13CB10)；国家自然科学基金青年基金(51008054)。
第一作者：武胜，男，1976年出生，博士，副教授，博士后。
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