焊接不銹鋼梁的靜力試驗(yàn)研究

焊接不銹鋼梁的靜力試驗(yàn)研究

0不銹鋼梁的承載性能研究耐腐蝕性、耐酸性、美觀性和環(huán)保性。這是一種理想的建筑材料。隨著不銹鋼產(chǎn)量和設(shè)計(jì)要求的不斷提高,不銹鋼材料將有更為廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)外對(duì)不銹鋼結(jié)構(gòu)的研究開(kāi)展較早,相關(guān)的規(guī)范體系已經(jīng)較為完善。我國(guó)在這方面的研究起步較晚,相關(guān)成果較為匱乏,目前僅見(jiàn)到沈曉明完成了一批不銹鋼短柱的軸壓試驗(yàn)。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不銹鋼梁整體穩(wěn)定性能的研究主要集中在冷成型截面,而對(duì)焊接不銹鋼梁的研究則開(kāi)展較少。焊接不銹鋼梁如果沒(méi)有足夠的側(cè)向約束,在荷載作用下會(huì)發(fā)生整體失穩(wěn),其破壞形態(tài)與鋼梁類(lèi)似,但是由于不銹鋼材料非線性的影響,使不銹鋼梁的承載性能與鋼梁相比存在顯著差異。本文通過(guò)對(duì)奧氏體316型焊接不銹鋼梁在純彎荷載下的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,并將試驗(yàn)結(jié)果與理論彈性彎矩、塑性彎矩以及現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試件長(zhǎng)度、長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯績(jī)啥藠A支奧氏體型316焊接工字形不銹鋼梁的整體穩(wěn)定性能。試件包括6根雙軸對(duì)稱(chēng)的焊接工字形截面梁和4根單軸對(duì)稱(chēng)的焊接工字形截面梁,為避免試件發(fā)生局部屈曲,試件的弱軸長(zhǎng)細(xì)比范圍取為80～190。試件編號(hào)以及實(shí)測(cè)尺寸見(jiàn)表1。表1中L為試件的實(shí)際長(zhǎng)度,取上下翼緣測(cè)量結(jié)果的平均值;Lb為試件的純彎段長(zhǎng)度;btf、bbf分別為受壓翼緣寬度和受拉翼緣寬度,取5個(gè)測(cè)量結(jié)果的平均值;h為截面高度,取左右兩端測(cè)量結(jié)果的平均值;ttf、tbf、tw分別為受壓翼緣、受拉翼緣和腹板的板件厚度,取5個(gè)測(cè)量結(jié)果的平均值。1.2初始彈性模量不銹鋼是一種典型的非線性材料,其力學(xué)性能與鋼材相比具有明顯的差異,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用Ramberg-Osgood方程描述為:ε=fE0+0.002(ff0.2)n(1)ε=fE0+0.002(ff0.2)n(1)式中:E0為不銹鋼材料的初始彈性模量;n為材料系數(shù),n=ln20/ln(f0.2/f0.01),f0.01和f0.2分別為殘余應(yīng)變?yōu)?.01%和0.20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力,由于不銹鋼材料沒(méi)有明顯的屈服平臺(tái),通常用f0.2作為其名義屈服強(qiáng)度。試驗(yàn)所用的材料為奧氏體型316冷軋板材(化學(xué)成分見(jiàn)表2),根據(jù)GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》中的相關(guān)規(guī)定在清華大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室完成材性試驗(yàn),采用30t液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)6組材性試件進(jìn)行加載。應(yīng)變由標(biāo)距5cm的引伸儀測(cè)定試件中部5cm內(nèi)的伸長(zhǎng)量并換算得到,同時(shí)采用應(yīng)變片進(jìn)行對(duì)比。圖1為6個(gè)材性試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,材性試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試件的平均值,如表3所示,其中fu為材料的抗拉強(qiáng)度。1.3面外失穩(wěn)時(shí)的水平位移測(cè)定在試件跨中截面和兩個(gè)加載點(diǎn)下方各布置1個(gè)豎向位移計(jì)(DS-1～DS-3),用以測(cè)定加載過(guò)程中試件的豎向撓度;在跨中截面上下翼緣處各布置1個(gè)水平位移計(jì)(DS-6、DS-7),用以測(cè)定試件發(fā)生面外失穩(wěn)時(shí)的水平位移,同時(shí)根據(jù)這2個(gè)位移計(jì)求出加載過(guò)程中跨中截面的扭轉(zhuǎn)角;在試件端部上下翼緣處各布置1個(gè)水平位移計(jì)(DS-4、DS-5),用以求出加載過(guò)程中試件端部的轉(zhuǎn)角;在跨中截面上下翼緣、腹板以及加載點(diǎn)附近(1-1、2-2截面)的上下翼緣處布置縱向應(yīng)變片以觀測(cè)試件受力過(guò)程中應(yīng)變的變化情況,測(cè)點(diǎn)布置如圖2。1.4試件加載裝置及加載制度采用液壓千斤頂和分配梁對(duì)試件進(jìn)行單調(diào)靜力加載,分配梁與試件上翼緣接觸的地方放置輥軸,防止摩擦力限制梁的變形。正式加載之前進(jìn)行預(yù)加載,以盡量消除加載裝置之間的縫隙,減小其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。除加強(qiáng)下翼緣截面試件的兩端采用簡(jiǎn)支外(圖3a),其余試件的端部約束采用夾支(圖3b),即試件的一端水平位移受到約束,另一端使用滑動(dòng)輥軸,同時(shí)端部的面外位移受到約束。試件的實(shí)際幾何尺寸見(jiàn)表1,試件加載過(guò)程中需要測(cè)量的荷載、應(yīng)變以及位移等信息采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并由計(jì)算機(jī)記錄。在試件達(dá)到最大荷載后繼續(xù)加載,當(dāng)試件發(fā)生較大的側(cè)向位移后卸載。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1試驗(yàn)結(jié)果中,試件的面外彎扭變形圖4為典型試件DI-100-2166-3加載破壞后的破壞形態(tài),可以看出試件中部區(qū)域發(fā)生了明顯的面外彎扭變形。對(duì)于兩端簡(jiǎn)支的試件,由于沒(méi)有約束端部翼緣的面外位移,試驗(yàn)過(guò)程中試件端部發(fā)生了扭轉(zhuǎn);對(duì)于兩端夾支的試件,端部的扭轉(zhuǎn)則受到了有效限制。所有的10根焊接不銹鋼工字形截面梁試件均出現(xiàn)明顯的整體彎扭失穩(wěn)的破壞狀態(tài),且卸載后殘余變形呈現(xiàn)明顯的正弦曲線形狀(圖5)。2.2加強(qiáng)下翼緣截面試件試驗(yàn)結(jié)果圖6為具有代表性的試件DI-100-266-3荷載-跨中截面上下翼緣水平位移曲線,從圖中可以看出,試驗(yàn)中不銹鋼梁在荷載作用下緩慢地向一側(cè)扭轉(zhuǎn)變形,當(dāng)荷載達(dá)到某一值后,試件扭轉(zhuǎn)變形增加的同時(shí)彎曲變形逐漸增大,直到試件產(chǎn)生較大水平位移而最終失效。圖7為試件荷載-跨中截面豎向位移曲線(荷載P為千斤頂所施加的荷載以及分配梁的重量),雙軸對(duì)稱(chēng)截面試件的長(zhǎng)度由DI-100-266-6的2.0m逐漸增大到DI-100-266-1的3.6m,其極限荷載由442.68kN降低到了184.17kN,破壞過(guò)程也逐漸減慢;加強(qiáng)下翼緣截面試件BI-100-216-1和BI-100-216-2也表現(xiàn)出類(lèi)似規(guī)律;由于加強(qiáng)上翼緣截面試件TI-100-216-1和TI-100-216-2跨度較大,加載過(guò)程中試件中部區(qū)域出現(xiàn)了較大的彎扭變形,為了試驗(yàn)安全并沒(méi)有加載至極限荷載。表4給出了除試件TI-130-216-1、TI-130-216-2以外所有試件的試驗(yàn)結(jié)果。從表4和圖7可以得出:(1)所有試件均發(fā)生側(cè)向彎扭失穩(wěn)且破壞后試件的變形呈現(xiàn)正弦曲線形狀,彎扭變形集中在試件中部區(qū)域。(2)隨著試件跨度的增加,承載力逐漸降低,其荷載-位移曲線的初始斜率逐漸變小,試件在荷載作用下產(chǎn)生較大的變形,說(shuō)明跨度越大的試件剛度越小。2.3跨中截面雙向穩(wěn)定性作用圖8和圖9分別給出了試件跨中截面應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)布置情況以及典型位置的荷載-應(yīng)變曲線,由圖8可以看出,隨著試件跨中區(qū)域彎扭變形的加劇,在跨中截面上下翼緣面內(nèi)逐漸產(chǎn)生了方向相反的兩個(gè)彎矩作用,即伴隨著彎扭失穩(wěn)的發(fā)生,跨中截面雙向力矩作用明顯。由圖9可以看出,在加載初期,截面應(yīng)變分布基本符合平截面假定,隨著截面扭轉(zhuǎn)的加劇和整體失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生,截面應(yīng)變分布不再滿(mǎn)足平截面假定。2.4彈性彎矩與塑性彎矩的確定表5為試件試驗(yàn)極限彎矩Mexp與理論彈性彎矩My和塑性彎矩Mp的對(duì)比,其中彈性彎矩和塑性彎矩為材料名義屈服強(qiáng)度f(wàn)0.2(取材性試驗(yàn)結(jié)果均值,即f0.2=330.63MPa)分別乘以彈性截面模量和塑性截面模量(My=f0.2Wx,Mp=f0.2Wp)。2.5數(shù)值模型的建立試驗(yàn)采用鉸接支座,如果將支座設(shè)置在梁截面形心處,支座的構(gòu)造將十分復(fù)雜,因此將支座設(shè)置在梁的下翼緣。在有限元模擬時(shí),對(duì)于簡(jiǎn)支試件,約束了支座處下翼緣節(jié)點(diǎn)的線位移,而對(duì)于夾支試件,還約束了支座范圍內(nèi)上下翼緣節(jié)點(diǎn)的面外位移。根據(jù)試件的實(shí)際尺寸以及試驗(yàn)實(shí)際約束條件,采用有限元軟件ANSYS建立試件的分析模型,對(duì)試件加載全過(guò)程進(jìn)行了模擬。模型采用SHELL181單元,材料模型選用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,不銹鋼材料的本構(gòu)關(guān)系采用材性試驗(yàn)結(jié)果。圖10給出了部分試件荷載-跨中截面上翼緣水平位移有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較,可以看出,有限元分析能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)試件的承載力,但由于有限元分析所采用的約束條件為理想條件,與試驗(yàn)實(shí)際情況存在差別,所以有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線的初始剛度比試驗(yàn)曲線要大。3殘余變形破壞形態(tài)通過(guò)靜力加載試驗(yàn)研究了焊接不銹鋼受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定性能,并將試驗(yàn)結(jié)果與理論彎矩及有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,主要結(jié)論如下:(1)所有試件均出現(xiàn)明顯的整體失穩(wěn)破壞形態(tài),破