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Thin-WalledStructures52(2012)1–11ContentslistsavailableatSciVerseScienceDirect薄壁结构journalhomepage:开口断面有边缘加强筋的冷弯工字型钢的压缩实验张家辉,BenYoungn香港大学土木工程院，香港薄扶林街道文章信息Received24September2011Receivedinrevisedform14November2011Accepted15November2011Availableonline13December2011关键词：压弯冷弯型钢圆柱形边缘加强筋试验开口断面腹板加筋件摘要冷弯工字型钢开口断面附有边缘加强筋和腹板加筋件，关于这种刚的一系列柱试验已经进行了。试件首先制动压高强度镀锌钢板，然后两个相同的构件通过自攻螺钉背对背形成一个有边缘和腹板加强筋的工字型截面。该构件的名义厚度为0.48,1和1.2毫米。测试试样的纵长从300变化到3200毫米，增长量约600毫米。柱试件在固定端之间进行压缩。为了掌握截面平直和拐角部分材料性能，还进行了拉伸试件的试验。刚开始进行了局部和整体几何缺陷的测量，这些柱试件不能抵抗局部缺陷，扭转变形，弯曲变形以及这些弯曲形式的相互作用。柱试件的极限强度和失效方式可以被呈现。这种直接的强度方法记载于《北美规范》和《澳大利亚/新西兰标准》等书中，可以用来计算工字型钢开口截面试件的设计强度。对于这种方法的合理性已经过评估。另外，这种方法的可靠性通过使用分析也经过评价。因此表明直接强度法可适用于开放部分有边缘加强筋的冷弯工字型钢。&2011ElsevierLtd.Allrightsreserved1.引言如今，冷弯型钢构建在高楼建筑中被广泛使用，诸如墙壁骨，地面托梁，构架结构和其他建筑工具的使用。冷弯型钢的截面形式根据生产过程的不同由槽钢式，Z型钢式，帽型钢式，角钢和其他截面形式组成，并且这些截面形式统一被称为开口断面。他们也可以通过连接两个或两个以上的截面而形成，比如一个工字型钢可以由两个槽钢背对背拼接而成，一个箱型钢可由两个槽钢在翼缘部分拼接形成。这些截面可能会局部失效或扭转变形，取决于他们金属板的宽厚比。然而，冷弯型钢截面可以通过附有边缘加强筋和腹板加筋件而提高强度，这样同样可以被用作工字型钢截面。因此，之所以关注这项研究是为了调研开口断面有边缘加强筋的冷弯工字型钢。在过去的几十年里，诸如MulliganandPekoz¨[1],WengandPekoz¨[2],KwonandHancock[3],YoungandRasmussen[4],DhanalakshmiandShanmugam[5],Young[6,7]和许多其他的科研者对冷弯型钢的开口断面进行了研究。研究显示，冷弯型钢截面的局部失效应力和扭转变形应力可以通过边缘加强筋的使用而提高。YanandYoung[8]对有复杂边缘加强筋的冷弯槽钢进行了柱试验，YoungandHancock[9]也对有倾斜简单的边缘加强筋的槽钢进行了研究。目前，附有边缘加强筋的冷弯工字型钢的试验还是有限的。在这项研究中，对开口断面有边缘加强筋的冷弯工字型刚进行了一系列的柱试验。柱试件在固定端之间进行压缩，首先，这篇论文呈现了工字型开口断面的一个实验过程，总计用到21个柱试件。然后，对比试验强度和设计强度，该设计强度是是运用《北美规范》和《澳大利亚/新西兰标准》适用于冷弯结构钢的书籍计算得来的。直接强度法可以用来计算设计强度，它的可靠性已经通过可靠度分析做过评估。最后，它的适用性也经过了评估。专业术语：Ag横截面毛面积bf翼缘宽度bl杯口宽度bw腹板宽度Cp可靠度分析指数E弹性模量e螺栓中心线与翼缘之间的距离Fm平均价值制造指数fod横截面弹性扭转弯曲应力fol横截面弹性局部弯曲应力fy标准屈服应力的0.2%L柱试件的长度l用来测量局部几何缺陷的钢板宽度Ld弹性有限长条弯曲分析得到的扭转弯曲半波长度Ley柱试件沿较短轴y轴弯曲的有效长度Ll弹性有限长条弯曲分析得到的局部弯曲半波长度Mm材料指数均值Pcrd柱试件决定性弹性屈曲的弯曲荷载Pcre柱试件弯曲变形时决定性弹性弯曲荷载Pcrl柱试件决定性弹性局部弯曲荷载PDSM-s用直接强度法（假定工字型截面是两个独立的界面）计算的名义轴向强度PDSM-t用直接强度法（假定连接区域的厚度为t）计算的名义轴向强度PDSM-1.2t用直接强度法（假定连接区域的厚度为1.2t）计算的名义轴向强度PDSM-1.5t用直接强度法（假定连接区域的厚度为1.5t）计算的名义轴向强度PDSM-2t用直接强度法（假定连接区域的厚度为2t）计算的名义轴向强度PEXP极限试验荷载Pm测试荷载与预计荷载的比率均值Pn名义轴向强度Pnd扭转变形时的名义轴向强度Pne弯曲变形时的名义轴向强度Pnl局部变形时的名义轴向强度Pu柱试件长度Py挤压荷载Ri试件翼缘拐角半径Ry较短轴y轴的回转半径t试件钢板厚度t*试件标准金属板厚度VF制造变化因子系数VM材料变化因子系数VP试验值与预计值变化系数W1,w2,w3边缘加强筋尺寸Z局部几何缺陷测量协调因数β安全指数β1采用NAS[14]荷载组合的安全系数β2采用AS/NZS[15]荷载组合的安全系数εf断后伸长率δ中等长度处测得的最出全部几何缺陷Φc受压构建的可靠因子λcλdλl直接强度法运用到的无量纲细长度σ0.2标准屈服拉应力的0.2%σu标准极限拉伸强度2.试验研究2.1试验试件为了提高冷弯工字型刚截面的局部扭转应力，特别设计一个有边缘加强筋的截面如图一所示。该工字型开口断面是由两个格子独立的带有边缘加强筋的槽钢延边连接的。槽钢截面从高强度镀锌等级G500到G550结构钢板的应力（屈服应力）证明具有标称0.2%的应力，即分别是500和550兆帕。这些结构钢板和《澳大利亚标准》的记载是一致的。随后这些槽钢截面被剪至特殊柱试件的长度，并且每两个有相同长度的槽钢截面用自动螺钉背对背连接形成一个工字型截面。两个槽型截面用自动螺钉连接的位置沿着试件纵向，在边缘部分的顶部和底部，如图一所示。J.-H.Zhang,B.Young/Thin-WalledStructures52(2012)1–112表一.边缘部分的顶部和底部柱试件焊缝边端钢板螺栓50mm100mm100mm50mm边端钢板柱试件n螺栓焊缝20mm80mm100mm100mm80mm20mm图2.螺栓空间排练(a)柱试件长度=300mm;(b)柱试件长度=800,1400,2000,2600and3200mm.表1试样IT0.48.系列尺寸试样部分长度腹板翼缘杯口bl厚度半径L(mm)bf(mm)(mm)ri(mm)bw(mm)w1(mm)w2(mm)w3(mm)e(mm)t(mm)tn(mm)IT0.48L300a299.6100.425.123.316.112.732.09.90.5860.4793.3b299.699.825.323.316.332.49.70.5910.4843.3IT0.48L300Ra299.8100.725.525.216.112.931.89.60.5820.4753.0b299.8101.525.224.916.132.09.60.5820.4753.0IT0.48L800a800.099.424.424.416.112.432.010.10.5970.4903.3b800.099.824.823.316.232.110.10.5890.4823.3IT0.48L1400a1400.2100.025.125.718.712.832.59.90.5900.4833.3b1400.298.925.125.318.732.69.80.5910.4843.3IT0.48L2000a2000.099.525.025.718.312.632.29.80.5800.4733.3b2000.0100.225.225.717.932.39.90.5800.4733.3IT0.48L2600a2600.0100.124.124.317.913.132.39.40.5980.4912.8b2600.099.924.624.617.832.19.30.5940.4872.8IT0.48L3200a3199.599.724.824.918.513.032.19.90.5690.4623.0b3199.599.224.524.218.232.39.70.5810.4743.0均值99.924.924.617.412.832.29.80.5860.4793.1变异系数0.0070.0150.0360.0640.0190.0070.0240.0140.0170.061注1in.=25.4mm;*表示标准金属厚度名义的螺栓间距为100毫米，如图二所示。但是，把两个槽型截面排列整齐并准确地连成工字型截面，同时还要在柱试件边缘焊接钢板以加固边界。因此，柱试件边界宜采用越小的螺栓间距，这就是在焊接钢板之前使两个槽钢排列整齐的目的。当柱试件边端的螺栓距离边端钢板分别为50毫米和20毫米时，柱试件长度分别为300毫米和大于300毫米。螺栓长度为12.5毫米时，它的名义直径是4.8毫米。磨平柱试件的边端，并焊接20或25毫米厚的钢板以保证当柱试件边端钢板和轴承完全连接时，柱试件能承受住统一J.-H.Zhang,B.Young/Thin-WalledStructures52(2012)1–113的荷载。试样有1.2毫米的厚度时需焊接25毫米厚的边端钢板，有0.48和1.0毫米厚时焊接20毫米厚的钢板。试验对三个系列的开口断面有边缘加强筋的冷弯工字型钢进行了测试，即名义厚度（t）分别0.48,1.0和1.2毫米。因此，相应地，三个系列分别被标为IT0.48，IT1.0和IT1.2。长度范围在300到3200毫米的范围内变化，每次增量大约为600毫米的柱试件在固定端承受轴向压力。每个试件靠近两端的横截面量度的平均价值被记载下来。表1,2和3分别记录了系列试验样品IT0.48，IT1.0，IT1.2的被测横截面尺寸，运用了图一的系统命名法。开口断面为工字型截面的每个单独截面（部分“a”和“b”）的横截面尺寸分别列如表1—3。腹板的名义宽度（bw)和每个翼缘宽度分别为100和30毫米。腹板加强筋的名义尺寸为w1=25mm,w2=25mm和w3=18mm，要素w2是在与水平轴线成30度倾斜的情况下测得的。螺栓的中心线和翼缘之间的名义距离（e)是13毫米，如图一所示。杯口的名义尺寸（bl)和拐角的名义半径(ri)分别为10和3毫米，如图一所示。基本金属厚度（t*)是在用酸性浊刻清除镀锌表层之后测得的，系列IT0.48，IT1.0和IT1.2截面的每面镀锌表层厚度分别为54,23和23微米2.2试样标志试样根据它们的名义厚度分为三个系列，之所以标注试样是为了测试系列和试样长度能区分开来。例如，标志“IT0.48L300”和“IT1.0L2000R”定义如下试样：●第一个字母表明了横截面的形状，即“I”指的是工字型钢。表2.试样IT1.0.系列尺寸试样部分长度L(mm)腹板翼缘杯口厚度半径ri(mm)bf(mm)bl(mm)bw(mm)w1(mm)w2(mm)w3(mm)e(mm)t(mm)tn(mm)IT1.0L300a300.0100.024.524.516.513.332.010.31.0501.0053.3b300.099.924.624.416.332.310.31.0581.0133.3IT1.0L800a800.099.524.824.116.512.532.310.71.0641.0193.3b800.099.624.823.816.432.310.61.0651.0203.3IT1.0L1400a1400.0100.024.224.618.112.432.010.21.0691.0243.3b14