国产热轧H型钢轴心受压构件极限承载力的试验研究

国产热轧H型钢轴心受压构件极限承载力的试验研究吴迪郝际平李峰丁维（西安建筑科技大学，西建大莱钢钢结构研发中心，西安710055，山东冶金设计院，山东，250000）摘要：本文对国产热轧H型钢柱进行了6根短柱，18根中长柱的轴心受压试验。根据试验数据，论文将轴心受压柱极限承载力试验值与GBJ17-88规范值做一比较，并分析其原因。关键词：国产轧制H型钢,轴心受压柱，极限承载力，试验StudyontheUltimateStrengthCapabilityforAxialCompressedRolledH-shapeColumnstestWuDi,HaoJiping,lifeng,DingWei(Xi’anUniversityofArchi&Tech，XJDLGCenterofResearchandDevelopment，Xi’an710055，ShanDongMetallurgyDesignInstitute,JiNan,250000)ABSTRACT：ThisdissertationdescribesastudyontheultimatestrengthofnationalrolledH-shapecolumnstestundercompressiveloading.Throughthetotalof24memberstest,whichcontain6stubcolumnand18mid-lengthcolumn,thispapermakeultimatestrengthtestvaluecontrastedwithoneofGBJ17-88norm.KEYWORDS：nationalH-rolledsteel,axialcompresscolumns,ultimatestrength,test随着我国经济的快速发展，钢结构的应用愈来愈广泛，但规范对热轧h型钢轴心受压柱的极限承载力计算公式却主要依据国外资料，国内尚缺乏系统的试验研究，因此开展系统全面的对国产H型钢的研究不仅具有理论意义而且具有实用价值。《钢结构设计规范》GBJ17-88对柱轴心受压极限荷载公式是以焊接工字钢﹑双角钢﹑单角钢﹑热轧工字钢为基础建立的。而热轧H型钢与上述工字钢或角钢相比，由于加工工艺的不同，从截面型式到残余应力的分布都有所不同。所以该公式是否适合热轧H型钢，有必要进行研究论证。本文根据24根国产热轧H型钢轴压柱的试验，与国标规定的公式做以比较。一试验概况试验首先对4批拉伸试件进行试验。然后对三组6根试件进行了短柱试验。最后通过三组18根中长柱进行轴压试验并与极限强度理论值进行比较。1拉伸试件的材性试验（Q235钢）拉伸试件是从截面型号为，，的翼缘和腹板上分别切取，按国家标准《热轧H型钢和剖分T型钢》GB/T11263-1998确定（图1）。试样尺寸和加工要求按国家标准《金属拉伸试验试样》GB6397-86规定执行（图2和表1），拉伸试验结果见表2。图1材性试件取样位置示意图2材性试件的形状及加工要求注:,同时应为5mm的整数倍,,为b对应的板材厚度,3.2为加工的粗糙度.从上、下翼缘切取的小试件共8个；从腹板切取的小试件共8个；由于截面是两炉钢材，所以作了两批材性试验。表1材性试验试样(长度:mm)截面规格编号切取部位试样厚度t试样宽度b试件标距长数量翼缘925851翼缘925851腹板6.525701腹板6.525701第一批翼缘925851翼缘925851腹板625701腹板625701第二批翼缘925851翼缘925851腹板625701腹板625701翼缘825801翼缘825801腹板5.525651腹板5.525651表2材性试验记录(长度:mm)编号宽度厚度伸长率(Mpa)(Mpa)屈强比E25.138.8731%2964750.6224.978.8528.1%3164750.6725.176.2325%350.94800.7324.986.2330%340.64850.7025.179.5228%2584300.6025.189.5230%2604320.6025.136.7129%2433030.8025.236.5933.16%2453050.8025.079.7835%3264400.7424.949.2234%3174210.7525.595.7233.5%3284130.7925.445.8535%3124200.7425.098.1429%3664900.8125.187.6130.65%3444880.8125.115.0931.12%352.7480.840.6524.815.0729.88%3254890.792短柱试件试验短柱试件的长度为20倍最小回转半径，2.2倍试件高度，试件包括6个未退火的。试件在试验机上经过物理对中，短柱试件中央截面的应变量测以腹板两面的电阻片为主，而以翼缘四肢尖处的电阻片为辅。表3短柱实验结果表试件编号长度（㎜）截面尺寸面积(㎜2)比例极限(mpa)屈服点(mpa)弹性模量E×105(mpa)平均值平均值平均值HZY1-1400125×125×6.5×930.311351303153202.032.030.4HZY1-21253252.03HZY8-1600200×150×6×939.76156153.52402502.02.050.61HZY8-21512602.1HZY15-1500200×100×5.5×827.57160150.53553452.42.10.43HZY15-21413351.8短柱HZY8-2试验实测曲线图示例图3短柱HZY8-2试验实测曲线图3、轴心受压中长柱试件试验（1）试件和制作试件包括以下三种截面型式试件为三个截面分别为HW125×125；HM200×150；HN200×100；每个截面具有6个长细比分别为=40，50，60，80，90，95；试验前对试件截面几何尺寸及柱长中点初始挠度进行测量。中长柱试验在长柱机上机进行，柱两端装置球铰支座，试验时量测了柱中点荷载-挠度（P-f）曲线。A:HW125×125：914，1202，1519，2140，2450，2602代号分别为HZY1,HZY2,HZY3,HZY4,HZY5,HZY6。B:HM200×150：1076,，1430,1785,2502,2860,3035代号分别为HZY7,HZY8,HZY9,HZY10,HZY11,HZY12。C:HW200×100：535，755，975，1418，1640，1745代号分别为HZY13,HZY14,HZY15,HZY16,HZY17,HZY18。注：上面所列长度的单位为mm。试件形状见图4。构件长度大于1米两端加盖板和加劲肋。图4构件加工图图5应变位移计装置位置（2）加载装置试验在200t长柱机上进行，在柱两端装置球铰支座，试验时量测了柱中点的荷载位移曲线，及上下球铰的水平位移。试验加载简图如下，端部采用球铰支座，如图6（a）加载简图（b）中长柱轴心受压试验装置图6试验装置图试验装置见下图6（a）：柱在支座架上，利用200T长柱试验机加荷，支承于球铰支座上，使柱支座能自由转动。（3）量测项目和量测手段1.位移用10cm量程位移计量测了柱跨中截面腹板和左右翼缘的横向位移。用LZ3-204型模拟式函数记录仪（略称X-Y仪）连续地画出荷载对水平位移的P～u曲线。2.应变：在跨中截面按图5所示贴应变片，用静态电阻应变仪量测。测应变的目的一是判断梁在何种状态（弹性或弹塑性）失稳，二是可以根据应变数值的突然变化判断临界失稳荷载。以上所有位移、应变及荷载数据均通过7VO7数据采集系统自动在计算机上记录（4）试验过程每次试验时，开始分级加荷，每级约为估计极限的10%。在前3级通过中央截面电阻片进行对中，使每一片电阻应变片读数和所有电阻应变片读数（同一截面）的平均值和相差5%以内，两杆端也相差很少。以后，连续加载，以5吨一个等级利用数据采集系统记一次数据。当钢柱接近临界荷载时，一般从函数记录仪及应变读数变化中都能看到比较明显的迹象，水平位移大幅度增加，柱顶无法稳住自动卸荷。因此，将这一级荷载定位为临界荷载。在整个失稳过程中，应连续采集数据，记录变化，直至屈曲发生。试件失稳后的变形HZY2为例。图7HZY2屈曲时的变形图（a）HZY4变形图（b）HZY8变形图（c）HZY9变形图图8部分试验构件屈曲时的变形图二规范计算承载力由规范公式GBJ17-88计算轴心受压构件极限承载力，即：，，A取截面面积、为计算长度,、按实测计算，根据值查规范，取。试件屈服强度试件长度计算长度屈曲模态规范荷载值试验荷载值（规范-试验）/试验HZY13259141084整体的极值点失稳859.18976.68-12.03%HZY232512021372810.12908-10.78%HZY332515191689746.60820-8.95%HZY432521402310600.00721-16.78%HZY532524502620526.10624-15.69%HZY632526022772491.97577-14.74%HZY7320107612461115.71328.3-16.00%HZY8320143016001049.11208-13.15%HZY932017851955970.451141-14.95%HZY1032025022672782.31830-5.74%HZY1125028603030614.08654-6.10%HZY1225030353205581.26644-9.74%HZY13347535705831.60925.21-10.12%HZY14347755925777.65878.84-11.51%HZY153479751145713.80799.98-10.77%HZY1634714181588564.69618-8.63%HZY1734716401810491.30576-14.70%HZY1834717451915459.04530-13.39%图9是将GBJ17-88及试验值互相比较的结果（a）125×125截面（b）200×150截面（c）200×100截面图9GBJ17-88规范值及试验值之比较三H型钢轴心受压柱试验结论：1通过分析比较，材料的屈服强度sy与弹性模量E用的是翼缘与腹板的平均值，轴向残余应力比普通工字钢和焊接H型钢的小，所以试验值比规范GBJ17-88大的多。2过程中采用物理对中与理想轴心对中也稍有差别，荷载偏心会引起极限荷载的降低，所以可以表明，国产热轧H型钢实际的承载能力要比规范计算的值大的多，规范GBJ17-88对于国产热轧H型钢轴心受压柱的计算显得保守。3需要通过极限承载力理论对国产热轧H型钢轴心受压柱进行柱子曲线设计，以区别对待国产热轧H型钢和普通工字钢及焊接H型钢，这样更加合理。参考文献[1]钢木结构教研组轴心受压杆研究小组：钢轴心受压稳定系数中的试验研究。西安冶金学院学报，1-29，1973[2]王国周：焊接I型柱承载能力试验及理论研究，建筑结构学报，第1期，1-13，1988[3]王国周，张文蔚，王珊：国产热轧普通工字钢轴心受压杆件承载能力的研究，建筑结构学报，第7卷，第4期，1-11，1986，4[4]北京钢铁设计研究总院等：钢结构设计规范（GBJ17-88），1988.11[5]陈绍藩：钢结构（第二版），中国建筑工业出版社，8-15，1994作者：吴迪郝际平李峰丁维