局部变形的双角钢拉杆抗拉承载力研究_聂劲.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期 局部变形的双角钢拉杆抗拉承载力研究聂 劲 幸坤涛 杨建平（中冶建筑研究总院有限公司，北京）摘 要：角钢拉杆是钢结构中的常见结构构件，在实际工程中由于机械碰撞、意外事故等原因容易产生局部变形，对承载力产生不利影响。国内已有对局部变形的单角钢拉杆承载力的研究，但还缺乏对有局部凹凸变形的双角钢杆件受拉承载力的研究。通过展开局部变形角钢拉杆受拉试验并对其进行有限元模型验证，对三种不同规格的等边双角钢拉杆进行有限元模拟分析，得到了不同局部变形条件下的双角钢拉杆的抗拉承载力折减系数，可用于不同局部变形双角钢构件的抗拉承载力验算。关键词：局部变形；双角钢拉杆；抗拉承载力；有限元模拟 ：.（，）：，：；第一作者：聂劲，男，年出生，硕士。通信作者：幸坤涛，男，年出生，教授级高级工程师，。收稿日期：角钢构件常用于钢结构当中，其极限承载力的研究一直受到学者的重视。在长期使用过程中，角钢构件容易产生局部凹凸变形，会导致构件承载能力的下降，如图 所示。图 产生局部凹凸变形的角钢构件 中冶建筑研究总院对局部变形单角钢拉杆承载力研究表明，局部变形单角钢拉杆的承载力因变形而降低。工业建筑可靠性鉴定标准中仅有针对钢桁架中带有局部凹凸变形的单角钢构件抗拉承载能力的折减系数表格。目前，国内外针对既有结构带有局部变形缺陷的角钢承载力的研究还比较少，故对于带有不同局部变形位置、变形形式、变形程度的双角钢构件，还需要进一步的研究和检验。以不同规格的等边双角钢为研究对象，基于 进行轴向拉伸加载破坏试验的有限元模拟，通过分析双角钢的荷载位移曲线，确定不同的变形形式、变形位置、变形程度、角钢尺寸对双角钢抗拉承载能力所产生的影响，由此得到相应的抗拉 工业建筑 年第 卷第 期承载力折减系数表格，以期对实际结构的安全性评价提供借鉴。材料及构件拉伸试验.材料试验 钢材的材料试验在国家建筑钢材质量监督检验中心进行，采用 液晶显示自动弹簧拉压试验机，根据 .金属材料 拉伸试验 第 部分：室温试验方法中的相关规定，主要对单项拉伸状态下试件的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断面伸长率、应力应变曲线等力学性能进行测定。按照 钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备附录.的规定，单角钢拉伸试件的截取采取比例取样法，取样位置如图 所示。图 角钢肢宽方向取样位置 按照 .附录.的规定，试件横截面为比例试样，形状尺寸设计和实际试样如图 所示。图 材料试验试件加工示意 材料试验得到的 钢材力学性能结果如表 所示，试样的应力应变曲线如图 所示。在 有限元模拟时，角钢的材料属性同样采用图表中的数据。表 钢材力学性能指标 钢材材质屈服强度抗拉强度弹性模量断面伸长率 泊松比.钢材试件进入拉伸颈缩阶段后，应变不再均匀变化，引伸计所测量的应变值产生较大的系统误差，因此图 中下降阶段的应力应变曲线准确度较低，在有限元模拟中仅选取颈缩以前的曲线部分来图 试样的荷载应变曲线 定义 钢材的材料属性。.构件拉伸试验为了验证 有限元分析的正确性和合理性，制作了带有不同程度局部变形缺陷的 等边单角钢试件，在试验机上进行拉伸加载试验。试件与计算分析的双角钢材料相同，均为 钢，局部变形形式为外凸，变形矢高分别为，。拉伸破坏前、后的试件与 模型如图 图 所示。图 无变形 试件 图 局部 变形 试件 试件在 拉 伸 试 验 中 的 位 移 荷 载 曲 线 与 拉伸模拟的对比如图 所示。由于加载试验中的加载端存在滑移现象，有限元模拟曲线进行了相应的平移处理。可以看出：试验结果与模拟结局部变形的双角钢拉杆抗拉承载力研究 聂 劲，等 图 局部 变形 试件 图 局部 变形 试件 果吻合较好，表明等边单角钢的有限元模型具有较好的准确性。无变形；局部变形 ；局部变形 ；局部变形 。有限元模拟；试验。图 试验与模拟的荷载位移曲线（）（）有限元分析由于研究内容涉及到双角钢的大变形、大挠度，属于几何非线性问题的范畴，因此，采用 有限元分析软件进行建模计算，可以充分发挥其在非线性分析方面的强大功能。有限元分析构件采用、三种规格的等边双角钢，局部变形形式为外凸或内凹，变形位置为仅在一肢上或两肢上均存在，变形矢高比（角钢构件几何变形矢高与肢宽的比值）分别为、.、.。.分析模型.材料属性在有限元模拟分析过程中，采用 钢在实际材料试验中得到的弹性模量和应力应变曲线，将其转换为塑性应变屈服应力的曲线（图），并将该曲线的数值输入 软件中的属性塑性选项中。图 钢材料应力应变曲线 .边界条件由于研究的是结构构件在简支情况下的轴心受拉问题，等边双角钢两肢所受到的荷载是均布无偏心的。为了便于收敛，模型分析中所采用的加载方法是位移加载，通过将有限元模型中构件的一端与参考点耦合后完全固定，而加载端则与另一参考点完全耦合，在此参考点施加位移荷载，计算得到该参考点的反力位移曲线，即可确定有限元模型的抗拉承载力。有限元模型如图 所示。图 有限元模型 .局部变形研究的等边双角钢是在既有工作状态下承受轴向拉力的，因此，对于结构构件设计和施工验收中所 工业建筑 年第 卷第 期产生的残余应力、初弯曲和初偏心，认为其对等边双角钢的抗拉承载能力影响不大，可以进行工程应用上的忽略处理，只考虑对抗拉承载力产生决定性影响的几何局部变形的作用。在现场条件下，钢桁架因机械外力引起的截面局部变形可以分为向外凸出和向内凹陷两种情况。为了较为准确地模拟实际工程中等边双角钢的局部大变形，本文通过 有限元建立了局部外凸和局部内凹两种类型的几何局部变形，如图 和图 所示。图 外凸变形 图 内凹变形 .分析方法在 有限元分析过程中，首先考虑双角钢构件的几何非线性影响，采用静态法得到结构构件的多种局部变形，随后在静态法计算的基础之上进行轴向拉伸分析，最终获得双角钢的荷载位移曲线。由于局部变形的影响，构件会提前进入塑性阶段，如图 所示。因此，将产生.塑性应变时的荷载作为屈服指标，将其视为构件的抗拉承载力。；。图 局部变形的角钢构件 的荷载位移曲线 （）选取具有不同局部变形位置、变形形式、变形程度的、三种双角钢有限元模型，重复以上 非线性有限元计算过程，便可获得构件在不同几何局部变形条件下的抗拉承载力。.分析结果表 和表 给出了不同局部变形下 种规格的双角钢的抗拉承载力。表 不同局部变形下的双角钢构件、的抗拉承载能力 变形程度编号抗拉承载能力无变形.一肢变形.两肢相同变形.两肢不同变形.表 不同局部变形下的双角钢构件 的抗拉承载能力 变形程度编号抗拉承载能力无变形.一肢变形.两肢相同变形.两肢不同变形.表中，“”表示截面局部变形形式为向内凹陷；“”表示截面局部变形形式为向外凸出；“”和“”后面的数字表示局部变形的矢高，例如，局部变形的双角钢拉杆抗拉承载力研究 聂 劲，等“”表示等边双角钢一肢上出现 的内凹局部变形；“”表示截面无局部变形。计算结果分析.内凹外凸对抗拉承载力的影响三组角钢试件在不同形式的局部变形下的抗拉承载力变化曲线如图 所示。双角钢；双角钢；双角钢。图 内凹外凸局部变形与抗拉承载力的关系曲线 由图 曲线之间的比较可以看出：对于不同尺寸规格的等边双角钢，当几何局部变形的程度相同时，无论局部变形是仅在一肢上发生还是两肢都有，内凹和外凸局部变形形式下的构件抗拉承载力均十分接近。因此，可以认为内凹或外凸的局部变形形式对构件抗拉承载力影响不大。.局部变形大小对抗拉承载力的影响由图 同样可以看出：对于单肢有几何变形或双肢均有几何变形的等边双角钢，随着局部变形程度总和的增大，轴心受拉构件的承载能力分别呈现逐渐下降的趋势。.双肢局部变形对抗拉承载力的影响与单肢局部变形的关系将等边双角钢无缺陷时的抗拉承载力记为，一肢带有矢高为 的几何局部变形等边双角钢抗拉承载力记为，其承载力折减程度记为（），则有：（）|（）以 等边双角钢为例，由.节可知，内凹和外凸的局部变形形式对于双角钢的抗拉承载力影响程度较小，因此，统一采用向内凹陷的局部变形，采用 模拟双角钢在仅一肢上带有几何局部变形的情况下，承载力折减程度与局部变形程度的关系，得到折减系数曲线如图 所示。图 等边双角钢仅单肢局部变形时的抗拉承载力折减 对于两肢均有几何局部变形的等边双角钢，将一肢上的几何局部变形程度记为，另一肢上的记为，双角钢的抗拉承载力折减程度记为（，）。同样以、带有内凹局部变形的等边双角钢为例，通过 建模得到整体折减系数（，）与两肢单独的折减系数（）、（）之间的关系，如图 所示。可以看到，（，）与（）、（）基本在同一平面上，满足线性相加的规律。经过检验，拟合得到关系式为：（，）（）（）.（）汇总得到的（，）与（）、（）的统计数据如表 所示。计算可得，上述拟合公式的相对误差很小，最大相对误差为.，平均相对误差仅为.，具有较好的可信度。由于式（）是根据 等边双角钢的 有限元分析结果拟合出来的，而该规格的 工业建筑 年第 卷第 期 图 两肢局部变形双角钢抗拉承载力折减 表 拟合算式的误差计算 实际值（）（）（，）拟合值（，）相对误差.双角钢相对较薄，因此，可以认为式（）在计算相对较厚的双角钢时计算结果偏于安全。.双角钢的不同型号对抗拉承载力的影响对于、这三种不同规格的等边双角钢，两肢上的局部变形矢高比分别在、.、.上变化时，对应的抗拉承载力折减系数曲线如图 所示。可以看到，弯曲变形矢高比相同时，肢宽越大，则双角钢抗拉承载力下降程度越大；肢厚越小，则双角钢抗拉承载力下降程度越大。图 不同型号与抗拉承载力的关系曲线 结 论）几何局部变形会导致双角钢的抗拉承载力降低，无论是发生在一肢上还是两肢上，整体而言，局部变形程度越大，则抗拉承载力下降越多。）对于等边双角钢，几何局部变形的大小对抗拉承载能力有着决定性的作用，而内凹和外凸的变形形式对抗拉承载力的影响相对很小，可以忽略。）对于两肢均带有几何局部变形的等边双角钢，和对应的单肢局部变形双角钢相比，其抗拉承载力折减系数基本符合线性相加规律，即（，）（）（）。其中，常数 在不同规格的等边双角钢中取不同的值，本文中取.。）对不同规格的等边双角钢，弯曲变形矢高比相同时，肢宽越大，则双角钢抗拉承载力下降越大；肢厚越小，则双角钢抗拉承载力下降越少。参考文献 段宇 常见钢结构缺陷问题的分析及处理工业建筑，（增刊）：葛安祥 局部变形单角钢承载能力评估研究天津：天津大学，常好诵，姜忻良，谢剑，等 带有局部变形缺陷的单角钢承载力研究 工业建筑，（）：常好诵，姜忻良，谢剑，等 局部变形单角钢轴心受力试验研究 工业建筑，（）：，中华人民共和国住房和城乡建设部 工业建筑可靠性鉴定标准：北京：中国建筑工业出版社，