建筑结构学报 Jo u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s
文章编号:1000-6869(2009) 02-0092-06
第30卷第2期2009年4月
V o l . 30N o . 2A p r i l 2009
012
高强度钢材轴心受压构件的受力性能
施 刚, 王元清, 石永久
(清华大学结构工程与振动教育部重点实验室, 北京100084)
摘要:介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况, 基于高强度钢材焊接截面钢柱轴心受压试验结果, 给出了高强度钢材
焊接箱形和焊接I 形截面的残余应力分布, 并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算、讨论和比较, 对高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究。研究结果表明, 焊接箱形和焊接I 形(绕弱轴, 翼缘为焰切边) 两种截面(板厚
B e h a v i o r o f h i g h s t r e n g t h s t e e l c o l u m n s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n
S H I G a n g , W A N GY u a n q i n g , S H I Y o n g j i u
(K e y L a b o r a t o r y o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n dV i b r a t i o n o f C h i n a E d u c a t i o n M i n i s t r y ,
T s i n g h u a U n i v e r s i t y , B e i j i n g 100084, C h i n a )
A b s t r a c t s :T h e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h s t e e l i ns o m e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s a r e i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r . B a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha b o u t t h e b u c k l i n gb e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e ds e c t i o nc o l u m n s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n , t h er e s i d u a l s t r e s sd i s t r i b u t i o n sf o r h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e db o xs e c t i o n sa n dI -s e c t i o n sa r e p r e s e n t e d , a l o n g w i t hc a l c u l a t i o n , a n a l y s i s , d i s c u s s i o na n dc o m p a r i s o no f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .T h eo v e r a l l a n d l o c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e ds e c t i o nc e n t r a l l y l o a d e d c o l u m n s w e r ei n v e s t i g a t e d . T h er e s u l t s i n d i c a t e t h a t , t h e o v e r a l l b u c k l i n g r e s i s t a n c e r e d u c t i o nf a c t o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e db o x s e c t i o na n dI -s e c t i o n (a b o u t w e a ka x i s , f l a m e -c u t f l a n g e )c e n t r a l l yl o a d e dc o l u m n sf a b r i c a t e df r o m s t e e l p l a t ew i t ht h i c k n e s sl e s st h a n 40m mi s h i g h e r t h a nt h a t o f t h e s a m e c o l u m n s f a b r i c a t e d f r o mo r d i n a r y s t e e l , a n d t h e f l a n g e l o c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f t h e s e t w o s e c t i o n s a r e n o t i m p r o v e d . I t c a n b e c o n c l u d e dt h a t f o r t h e a b o v e t w o s e c t i o n s s t u d i e dt h e b u c k l i n g c u r v e b c a n b e s e l e c t e da n d t h e f l a n g e s l e n d e r n e s s l i m i t s c a n a d o p t t h e p r o v i s i o n s i n t h e c u r r e n t C h i n e s e s t e e l s t r u c t u r e s d e s i g n c o d e .
K e y w o r d s :st e e l s t r u c t u r e ; h i g h s t r e n g t hs t e e l ; a x i a l c o m p r e s s i o n m e m b e r ; s t e e l c o l u m n ;s t a b i l i t y
基金项目:国家自然科学基金(50708051) , 长江学者创新团队发展计划联合资助。
作者简介:施刚(1977— ), 男, 安徽铜陵人, 工学博士。E -m a i l :s h i g a n g @ts i n g h u a . e d u . c n 收稿日期:2007年12月
0 引言
焊接截面钢构件以其截面尺寸选择灵活、能充分发挥钢材的承载能力、构件自重小、节约材料成本等优越性, 在我国广泛用于多高层建筑以及单层工业厂房和各种公共建筑等大空间结构中。在焊接截面钢构件中采用高强度钢材, 通过合理设计, 能够充分发挥其强度优势, 提高构件承载力, 减小构件截面尺寸和降低自重。
已有的理论分析和试验结果表明
[1]
, 采用高强
图1 德国柏林索尼中心大楼F i g . 1 So n y C e n t r e i n B e r l i n , G e r m a n
y
度钢材加工制作的钢柱, 在达到整体稳定极限承载力时, 其极限应力σ即u 与屈服强度f y 的比值σu /fy (整体稳定系数φ) 要比相同长度和截面的普通强度钢材钢柱高很多。这主要是因为, 残余应力特别是残余压应力的数值与钢材的屈服强度没有直接关系, 在钢柱截面起控制作用的关键部位, 对于高强度钢材钢柱而言, 残余应力与钢材屈服强度的比值要比普通钢材钢柱小很多; 对钢柱的整体稳定系数有很大影响的正是这一比值, 而不是残余应力的绝对数值大小。所以, 对于高强度钢材钢柱, 可采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数, 这样能够提高其整体稳定承载力, 更加充分地发挥高强度钢材钢柱的强度优势。
目前, 高强度钢材已经在国外多个实际工程中得到应用, 获得了很好的效果。例如, 位于德国柏林的索尼中心大楼(S o n yC e n t e r ) 采用了S 460和S 690高强度钢材(屈服强度标准值分别为460M P a 和690M P a ) , 有效减小了构件截面, 降低结构自重(图1) ; 澳大利亚悉尼的星城饭店(S t a r C i t y ) 采用了S 690高强度钢材(图2) 。
高强度钢材还在多座桥梁中得到应用, 包括位于德国D u s s e l d o r f -I l v e r i c h 的莱茵河大桥、德国I n g o l s t a d t 附近的高速公路桥梁(多跨连续梁桥) 、德国N e s e n b a c h t a l b r ǜck e 一座高架桥、法国著名的M i l l a u 大桥、意大利的V e r r a n dV i a d u c t 大桥、瑞典的军用48m 跨快速安装桥梁等等, 均取得了很好的经济效益
[2]
图2 澳大利亚悉尼星城饭店
F i g . 2 St a r C i t y i nS y d n e y , A u s t r a l i a
义, 针对我国钢结构设计规范, 通常是指屈服强度f y >420M P a 的钢材。由于目前国外已有的相关试验研究主要集中在屈服强度名义值约为690M P a 的钢材, 所以本文中主要是指此类钢材。
本文总结了目前国外的试验结果, 对其进行了
分析计算, 并与我国规范进行了对比, 为高强度钢材钢柱在我国的应用提供了设计和计算参考建议。
1 残余应力
对于高强度钢材, 目前世界上尚没有热轧型钢产品, 通常是将钢板焊接成需要的截面。1. 1 焊接箱形截面
R a s m u s s e n 等人测量得到的690M P a 钢材(真实值705M P a ) 焊接箱形截面各边中部的残余压应力值分别为145M P a 、92M P a 、148M P a 、105M P a , 平均值为123M P a , 为0. 174f 。y
U s a m i 等人测得690M P a 钢材(真实值741M P a ) 焊接箱形截面, 腹板-翼缘焊缝处残余拉应力约为0. 6f 截面所有板件中部的残余压应力几乎是恒定y ; 的, 3个试件的测量值分别是0. 138f 、0. 087f y y 和0. 112f , 推荐残余压应力取0. 1f 。y y
N i s h i n o 等人测得690M P a 钢材(真实值分别为799M P a 和711M P a ) 焊接箱形截面残余应力分布如
[9]
[1]
。
关于钢结构受压构件的整体稳定性能, 国内目前仅对普通强度钢材钢构件进行了研究, 制定了相应的设计计算方法
[3-5]
, 对高强度钢材构件尚未开展
[6]
研究。我国《钢结构设计规范》(G B 50017—2003)
也没有关于高强度钢材钢柱的设计方法、计算公式以及相关规定。在冷弯薄壁型钢结构方面, 国内则对屈服强度为550M P a 的高强冷弯薄壁型钢轴心受压构件进行了一些研究
[7-8]
。
关于高强度钢材, 国内外尚没有统一、
明确的定
图3所示, 板件中部残余压应力分别为0. 10f y 和0. 15f y
[10]
。
[11-12]
上述试验测得的板件中部残余压应力明显小于我国和欧洲规范计算柱子曲线时采用的数值1. 2 焊接I 形截面
试验测量得到的名义强度690M P a 钢材(真实值660M P a ) 、翼缘为焰切边的焊接I 形截面的残余应力分布如图4所示
[1]
表1 焊接箱形截面钢柱尺寸及钢材屈服强度
T a b l e 1 Di m e n s i o n sa n ds t e e l y i e l ds t r e n g t ho f
w e l d e db o x s e c t i o nc o l u m n s
试件编号B S C
[1]
。
b/mm B/mm D/mm t /mm L/mm f P a y /M88. 8——88. 987. 6—88. 389. 4———90. 289. 9
—151151——151——151151151—
—
—127. 093. 5——127. 0——122. 094. 294. 4——
4. 956. 015. 985. 004. 956. 004. 964. 976. 016. 006. 014. 974. 94
[***********][***********]027203451
3451
[***********][***********]705
S -10-22[9]R -10-22
[9]
[1]B 1150C
[1]
B 1150E
。翼缘和腹板的残余压应力平均
S -35-22
[9][1][1][9][9][9][1][1]
值分别约为135M P a 和32M P a , 即0. 205f 和0. 048f , y y 明显小于我国规范取值
。
B 1950C B 1950E S -50-22R -50-22R -65-22
B 3450C B 3450E
图3 焊接箱形截面残余应力分布(单位:k s i ; 1k s i =6. 895M P a )
F i g . 3 Re s i d u a l s t r e s s e s o f w e l d e d b o xs e c t i o n
(u n i t :k s i , 1k s i =6. 895M P a
)
图5 高强度钢材焊接箱形截面尺寸符号
F i g . 5 Sy m b o l s f o r h i g hs t r e n g t h s t e e l w e l d e d b o x s e c t i o n
s
图6 高强度钢材焊接箱形截面柱稳定承载力
图4 焊接I 形截面残余应力分布F i g . 4 Re s i d u a l s t r e s s e s o f w e l d e dI -s e c t i o n
F i g . 6 B u c k l i n g s t r e n g t h s f o r h i g hs t r e n g t hs t e e l
w e l d e db o x s e c t i o nc o l u m n s
2 整体稳定性
2. 1 焊接箱形截面试验结果
高强度钢材焊接箱形截面钢柱尺寸和钢材屈服
强度实测值f 和y 见表1, 表中截面尺寸符号如图5a 5b 所示, L 为钢柱计算长度; 轴心受压整体稳定承载力试验结果如图6所示, 具体数据见表2。
图6中, 曲线a 、b、c、d分别为我国钢结构设计规范中相应类型截面轴心受压构件的整体稳定系数曲线; 实心标记为根据材料特性标准受拉试验值计算得到, 空心标记为根据材料特性名义值计算的结果;
[1, 9]
λy
, λ为构件的长细
πE P u
比; φ为整体稳定系数, , P 为构件极限轴向u
y λ为正则化长细比, λn n 受压承载力(均为试验值) , A 为构件截面积。
表2中, δ/L为试件的初始几何缺陷(包括荷载偏心) 与试件计算长度的比值; φ为试件整体稳定系
数的试验值; φ为根据我国钢结构设计规范a 类截a 面计算得到的整体稳定系数。2. 2 焊接I 形截面(绕弱轴) 试验结果
高强度钢材焊接I 形截面(翼缘为焰切边) 钢柱尺寸和钢材屈服强度实测值f 见表3, 表中截面尺寸y
表2 焊接箱形截面钢柱整体稳定承载力T a b l e 2 Bu c k l i n gs t r e n g t ho f w e l d e d
b o x s e c t i o nc o l u m n s
试件分组
试件编号B S C S -10-22R -10-22
λn 0. 0970. 1700. 221
δ/L‰———0. 4301. 8300. 6290. 2601. 6400. 315
0. 3970. 2420. 7180. 1200. 8400. 480
φ0. 9700. 9871. 0630. 9110. 9050. 8520. 8490. 7190. 740
0. 7430. 593—0. 3610. 340—
φa 0. 9960. 9880. 9800. 9110. 9090. 8850. 7290. 7360. 727
0. 7510. 561—0. 3300. 327—
φ/φa 0. 9740. 9991. 0850. 9990. 9960. 9631. 1640. 9761. 017
0. 9901. 0571. 0201. 0941. 0411. 067
表3 焊接I 形截面钢柱(翼缘为焰切边) 尺寸与钢材强度
T a b l e 3 D i m e n s i o n s a n ds t e e l y i e l ds t r e n g t ho f w e l d e d
I -s e c t i o nc o l u mn s (f l a m e -c u t f l a n g e )
试件编号I S C
[1]
[1]
I 1000C
b m t m b m t m L/mm f /mf /mw /mw /m140. 0141. 5141. 1141. 5141. 5140. 3
7. 737. 707. 677. 707. 717. 75
142. 0140. 0141. 8141. 5143. 0142. 0
7. 737. 707. 717. 667. 757. 74
[***********]92950
f P a y /M[***********]
I 1000E I 1650E
[1]
[1]I 1650C
[1]
B 1150C 0. 553B 1150E 0. 562
第一组
S -35-22
0. 639
(λ2) B 1950C 0. 945n
B 1950E 0. 934S -50-22
R -50-22R -65-22平均值
0. 947
0. 9121. 185—
[1]
I 2950E
表4 焊接I 形截面钢柱(翼缘为焰切边)
绕弱轴整体稳定承载力
T a b l e 4 Bu c k l i n gs t r e n g t ho f w e l d e dI -s e c t i o nc o l u mn s
(f l a m e -c u t f l a n g e )a b o u t w e a ka x i s
试件分组
试件编号I S C I 1000C
第一组
I 1000E I 1650E
(λ2) I 1650C n
平均值
I 2950E
(λ≥1. 2) n
第二组
λn 0. 108
0. 5350. 5400. 8820. 886—1. 604
δ/L(‰)—
0. 7001. 3000. 2500. 6100. 7150. 680
φ1. 077
0. 9520. 9910. 8000. 762—0. 337
φa
φ/φa
0. 9951. 082
0. 9161. 0390. 9151. 0830. 7691. 0400. 7670. 993—
1. 047
第二组
B 3450E 1. 646
(λ≥1. 2) n
平均值—
B 3450C 1. 637
符号如图5c 所示, L 为钢柱计算长度; 轴心受压绕弱轴整体稳定承载力试验结果如图7所示, 具体数据见表4
[1]
0. 3420. 980
。图7和表4中各符号含义分别与图6和
表2相同
。
面。而从图7所示的试验结果可以得到, 所有试件的承载力试验值均高于b 类截面的计算值。所以, 将其划分为b 类截面是偏于保守的。
由于当柱子的长细比很大时, 各种截面钢柱的整体稳定系数差别不大, 均接近欧拉曲线(图6和图7) , 所以在表2和表4中, 将所有试件根据正则化长细比λn 分为两组。从表2和表4中第一组试件的试验数据及其与a 类截面比较结果可以得到, 对于常见长细比的高强度钢材焊接箱形截面钢柱和焊接I 形截面(翼缘为焰切边, 绕弱轴) 钢柱, 其整体稳定系数
图7 高强度钢材焊接I 形截面柱
(绕弱轴, 翼缘为焰切边) 稳定承载力
F i g . 7 Bu c k l i n g s t r e n g t h s f o r h i g h s t r e n g t hs t e e l w e l d e d I -s e c t i o n c o l u m n s (f l a m e -c u t f l a n g e )a b o u t w e a ka x i s
平均值分别能够达到和明显大于a 类截面曲线数值。同时还应注意到以下两点:
(1) 由于我国钢结构设计规范的轴心受压构件整体稳定系数曲线的确定方法是计算了96条曲线, 按同类截面的平均值进行截面类型划分值, 表明此类试件可以划分为a 类截面。
(2) 虽然表2和表4中第一组试件的初始几何缺陷平均值均小于我国规范采用的1‰,但是从试件B 1150E 、B1950E 和I 1000E 可以看到, 这3个试件的初始几何缺陷比1‰大很多, 但是其整体稳定系数仍然非常接近甚至超过a 类截面。而且其他所有试件中也没有出现其整体稳定系数比a 类截面明显偏小的情况。
此外, 欧洲钢结构协会的钢结构稳定手册
[12]
[5]
2. 3 结果分析与讨论
对于高强度钢材焊接箱形截面钢柱, 如果仍然采用我国钢结构设计规范的截面分类规定, 文献[1]试件的板件宽厚比约为18, 属于c 类截面; 文献[9]试件的板件宽厚比约为22, 属于b 类截面。而从图6所示的试验结果可以得到, 几乎所有试件的承载力试验值均高于b 类截面的计算值。所以, 如果将高强度钢材焊接箱形截面划分为b 类截面, 则具有很高的安全度和可靠性。
对于高强度钢材焊接I 形截面(翼缘为焰切边) 钢柱绕弱轴的整体稳定性, 如果仍然采用我国钢结构设计规范的截面分类规定, 所有试件属于b 类截
, 所以, 整
体稳定系数试验结果的平均值超过a 类截面曲线数
介
绍了其在制定钢结构设计规范有关轴心受压构件整
体稳定系数的相关规定时, 对高强度钢材焊接箱形钢柱的整体稳定承载力进行了相应的分析计算, 考虑了残余应力和1‰的初始几何缺陷的影响, 同时对钢材屈服强度进行了10%的折减, 计算得到的结果是, 对于焊缝尺寸不是很大的高强度钢材焊接箱形截面, a 类截面的曲线是其整体稳定系数曲线的下限。同时, 该手册还建议, 对于翼缘为焰切边的高强度钢材焊接I 形截面钢柱, 计算其绕弱轴的整体稳定承载力时采用a 类截面曲线是安全的。而欧洲钢结构规范
[13]
的a 类截面曲线与我国规范的a 类截面曲
[11]
线非常接近。
所以, 从目前试验和相关研究结果看, 将板厚
图8 高强度钢材焊接箱形轴心受压
柱翼缘局部稳定性能
F i g . 8 Lo c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t h
s t e e l w e l d e db o x s e c t i o n c o l
u m n s
3 局部稳定性
3. 1 焊接箱形截面试验结果
高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱翼缘(四边支承板) 局部稳定性能试验结果见图8, 图中, λe 为受压翼缘的正则化宽厚比, λe b
y
, 其中, 235
图9 高强度钢材焊接I 形和十字形轴心
受压柱翼缘局部稳定性能
F i g . 9 Lo c a l b u c k l i n gb e h a v i o r o f h i g h s t r e n g t hs t e e l w e l d e dI -s e c t i o n a n d c r u c i f o r ms e c t i o nc o l u m n s
b 和t 均根据我国钢结构设计规范取值; σu 为钢柱翼缘极限压应力的试验值; f y 为翼缘钢材抗拉屈服强度试验值。
3. 2 焊接I 形和十字形截面试验结果
高强度钢材焊接I 形和十字形截面轴心受压柱翼缘(三边简支板) 局部稳定性能试验结果如图9所示, 其中, 文献[14]I 形表示I 形截面柱翼缘试验结果, 其余的为十字形截面柱翼缘试验结果。在I 形截面柱翼缘试验中, 腹板可能先于翼缘发生局部屈曲, 本文取整个柱截面的极限平均应力作为翼缘的极限
压应力, 是偏于安全的。图中各项含义与图8相同。3. 3 结果分析与讨论
图8和图9中所有试件的长细比λλe y 部屈曲应力低于钢材屈服强度, 即σ1. 0。根u /f y
。表5中列出了高强度钢材
(690M P a ) 轴心受压柱翼缘的λe y 试验值以及各国钢结构设计规范给出的λe y 限值。其中, 各国规范计算板件宽度b 的方法略有不同, 我国规范(G B 50017—
[6][16]
2003) 、澳大利亚规范(A S 4100) 和英国规范(B S 5950) 均为从所连接板件的表面计算; 而欧洲规范(E u r o c o d e 3) 则是从焊缝末端开始计算, 得到的宽度b 会略微小一些; 美国规范(A I S C -L R F D ) 则规定, 对I 形截面, b 取翼缘宽度的一半, 对焊接箱形截面, b 从焊缝末端开始计算。
从表5的比较结果来看, 我国规范对轴心受压柱翼缘宽厚比限值的规定与试验结果符合较好, 仍然适用于高强度钢材钢柱。
[18]
[13]
[17]
4 结论
通过总结目前高强度钢材轴心受压构件的试验结果, 并对其进行分析计算、讨论和比较, 可以得到以下结论:
(1) 对于板厚
表5 翼缘能够达到屈服强度的宽厚比限值λ比较e y T a b l e 5 Co mp a r i s o no f y i e l ds l e n d e r n e s sl i m i t λe y
λe y
截面形式及边界条件
焊接箱形截面柱翼缘(四边支承板) 焊接I 形和十字形截面柱翼缘
(三边简支板)
高强度钢材(690M P a ) 试验值
4013
中国规范(G B 50017—2003)
4013
澳大利亚规范(A S 4100) 41. 215. 5
美国规范40. 816. 3
英国规范
4013
欧洲规范
4214
(A I S C -L R F D ) (B S 5950) (E u r o c o d e 3)
(2) 在高强度钢材受压构件中, 残余应力与钢材屈服强度的比值减小, 从而提高其整体稳定承载力, 有必要进一步研究钢柱整体稳定系数与钢材强度变化的关系, 从而更好地发挥高强度钢材钢柱的优势。
(3) 我国钢结构规范关于轴心受压构件翼缘宽厚比限值的规定也适用于高强度钢材钢柱。
(4) 目前已有的高强度钢材轴心受力构件的试验, 其构件截面尺寸偏小, 需要进一步补充更大截面构件的试验, 以获得更加符合实际的结果。
参 考 文 献
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建筑结构学报 Jo u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s
文章编号:1000-6869(2009) 02-0092-06
第30卷第2期2009年4月
V o l . 30N o . 2A p r i l 2009
012
高强度钢材轴心受压构件的受力性能
施 刚, 王元清, 石永久
(清华大学结构工程与振动教育部重点实验室, 北京100084)
摘要:介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况, 基于高强度钢材焊接截面钢柱轴心受压试验结果, 给出了高强度钢材
焊接箱形和焊接I 形截面的残余应力分布, 并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算、讨论和比较, 对高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究。研究结果表明, 焊接箱形和焊接I 形(绕弱轴, 翼缘为焰切边) 两种截面(板厚
B e h a v i o r o f h i g h s t r e n g t h s t e e l c o l u m n s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n
S H I G a n g , W A N GY u a n q i n g , S H I Y o n g j i u
(K e y L a b o r a t o r y o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n dV i b r a t i o n o f C h i n a E d u c a t i o n M i n i s t r y ,
T s i n g h u a U n i v e r s i t y , B e i j i n g 100084, C h i n a )
A b s t r a c t s :T h e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h s t e e l i ns o m e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s a r e i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r . B a s e do nt h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ha b o u t t h e b u c k l i n gb e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e ds e c t i o nc o l u m n s u n d e r a x i a l c o m p r e s s i o n , t h er e s i d u a l s t r e s sd i s t r i b u t i o n sf o r h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e db o xs e c t i o n sa n dI -s e c t i o n sa r e p r e s e n t e d , a l o n g w i t hc a l c u l a t i o n , a n a l y s i s , d i s c u s s i o na n dc o m p a r i s o no f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .T h eo v e r a l l a n d l o c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e ds e c t i o nc e n t r a l l y l o a d e d c o l u m n s w e r ei n v e s t i g a t e d . T h er e s u l t s i n d i c a t e t h a t , t h e o v e r a l l b u c k l i n g r e s i s t a n c e r e d u c t i o nf a c t o r o f h i g hs t r e n g t hs t e e l w e l d e db o x s e c t i o na n dI -s e c t i o n (a b o u t w e a ka x i s , f l a m e -c u t f l a n g e )c e n t r a l l yl o a d e dc o l u m n sf a b r i c a t e df r o m s t e e l p l a t ew i t ht h i c k n e s sl e s st h a n 40m mi s h i g h e r t h a nt h a t o f t h e s a m e c o l u m n s f a b r i c a t e d f r o mo r d i n a r y s t e e l , a n d t h e f l a n g e l o c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f t h e s e t w o s e c t i o n s a r e n o t i m p r o v e d . I t c a n b e c o n c l u d e dt h a t f o r t h e a b o v e t w o s e c t i o n s s t u d i e dt h e b u c k l i n g c u r v e b c a n b e s e l e c t e da n d t h e f l a n g e s l e n d e r n e s s l i m i t s c a n a d o p t t h e p r o v i s i o n s i n t h e c u r r e n t C h i n e s e s t e e l s t r u c t u r e s d e s i g n c o d e .
K e y w o r d s :st e e l s t r u c t u r e ; h i g h s t r e n g t hs t e e l ; a x i a l c o m p r e s s i o n m e m b e r ; s t e e l c o l u m n ;s t a b i l i t y
基金项目:国家自然科学基金(50708051) , 长江学者创新团队发展计划联合资助。
作者简介:施刚(1977— ), 男, 安徽铜陵人, 工学博士。E -m a i l :s h i g a n g @ts i n g h u a . e d u . c n 收稿日期:2007年12月
0 引言
焊接截面钢构件以其截面尺寸选择灵活、能充分发挥钢材的承载能力、构件自重小、节约材料成本等优越性, 在我国广泛用于多高层建筑以及单层工业厂房和各种公共建筑等大空间结构中。在焊接截面钢构件中采用高强度钢材, 通过合理设计, 能够充分发挥其强度优势, 提高构件承载力, 减小构件截面尺寸和降低自重。
已有的理论分析和试验结果表明
[1]
, 采用高强
图1 德国柏林索尼中心大楼F i g . 1 So n y C e n t r e i n B e r l i n , G e r m a n
y
度钢材加工制作的钢柱, 在达到整体稳定极限承载力时, 其极限应力σ即u 与屈服强度f y 的比值σu /fy (整体稳定系数φ) 要比相同长度和截面的普通强度钢材钢柱高很多。这主要是因为, 残余应力特别是残余压应力的数值与钢材的屈服强度没有直接关系, 在钢柱截面起控制作用的关键部位, 对于高强度钢材钢柱而言, 残余应力与钢材屈服强度的比值要比普通钢材钢柱小很多; 对钢柱的整体稳定系数有很大影响的正是这一比值, 而不是残余应力的绝对数值大小。所以, 对于高强度钢材钢柱, 可采用比普通钢材钢柱高的整体稳定系数, 这样能够提高其整体稳定承载力, 更加充分地发挥高强度钢材钢柱的强度优势。
目前, 高强度钢材已经在国外多个实际工程中得到应用, 获得了很好的效果。例如, 位于德国柏林的索尼中心大楼(S o n yC e n t e r ) 采用了S 460和S 690高强度钢材(屈服强度标准值分别为460M P a 和690M P a ) , 有效减小了构件截面, 降低结构自重(图1) ; 澳大利亚悉尼的星城饭店(S t a r C i t y ) 采用了S 690高强度钢材(图2) 。
高强度钢材还在多座桥梁中得到应用, 包括位于德国D u s s e l d o r f -I l v e r i c h 的莱茵河大桥、德国I n g o l s t a d t 附近的高速公路桥梁(多跨连续梁桥) 、德国N e s e n b a c h t a l b r ǜck e 一座高架桥、法国著名的M i l l a u 大桥、意大利的V e r r a n dV i a d u c t 大桥、瑞典的军用48m 跨快速安装桥梁等等, 均取得了很好的经济效益
[2]
图2 澳大利亚悉尼星城饭店
F i g . 2 St a r C i t y i nS y d n e y , A u s t r a l i a
义, 针对我国钢结构设计规范, 通常是指屈服强度f y >420M P a 的钢材。由于目前国外已有的相关试验研究主要集中在屈服强度名义值约为690M P a 的钢材, 所以本文中主要是指此类钢材。
本文总结了目前国外的试验结果, 对其进行了
分析计算, 并与我国规范进行了对比, 为高强度钢材钢柱在我国的应用提供了设计和计算参考建议。
1 残余应力
对于高强度钢材, 目前世界上尚没有热轧型钢产品, 通常是将钢板焊接成需要的截面。1. 1 焊接箱形截面
R a s m u s s e n 等人测量得到的690M P a 钢材(真实值705M P a ) 焊接箱形截面各边中部的残余压应力值分别为145M P a 、92M P a 、148M P a 、105M P a , 平均值为123M P a , 为0. 174f 。y
U s a m i 等人测得690M P a 钢材(真实值741M P a ) 焊接箱形截面, 腹板-翼缘焊缝处残余拉应力约为0. 6f 截面所有板件中部的残余压应力几乎是恒定y ; 的, 3个试件的测量值分别是0. 138f 、0. 087f y y 和0. 112f , 推荐残余压应力取0. 1f 。y y
N i s h i n o 等人测得690M P a 钢材(真实值分别为799M P a 和711M P a ) 焊接箱形截面残余应力分布如
[9]
[1]
。
关于钢结构受压构件的整体稳定性能, 国内目前仅对普通强度钢材钢构件进行了研究, 制定了相应的设计计算方法
[3-5]
, 对高强度钢材构件尚未开展
[6]
研究。我国《钢结构设计规范》(G B 50017—2003)
也没有关于高强度钢材钢柱的设计方法、计算公式以及相关规定。在冷弯薄壁型钢结构方面, 国内则对屈服强度为550M P a 的高强冷弯薄壁型钢轴心受压构件进行了一些研究
[7-8]
。
关于高强度钢材, 国内外尚没有统一、
明确的定
图3所示, 板件中部残余压应力分别为0. 10f y 和0. 15f y
[10]
。
[11-12]
上述试验测得的板件中部残余压应力明显小于我国和欧洲规范计算柱子曲线时采用的数值1. 2 焊接I 形截面
试验测量得到的名义强度690M P a 钢材(真实值660M P a ) 、翼缘为焰切边的焊接I 形截面的残余应力分布如图4所示
[1]
表1 焊接箱形截面钢柱尺寸及钢材屈服强度
T a b l e 1 Di m e n s i o n sa n ds t e e l y i e l ds t r e n g t ho f
w e l d e db o x s e c t i o nc o l u m n s
试件编号B S C
[1]
。
b/mm B/mm D/mm t /mm L/mm f P a y /M88. 8——88. 987. 6—88. 389. 4———90. 289. 9
—151151——151——151151151—
—
—127. 093. 5——127. 0——122. 094. 294. 4——
4. 956. 015. 985. 004. 956. 004. 964. 976. 016. 006. 014. 974. 94
[***********][***********]027203451
3451
[***********][***********]705
S -10-22[9]R -10-22
[9]
[1]B 1150C
[1]
B 1150E
。翼缘和腹板的残余压应力平均
S -35-22
[9][1][1][9][9][9][1][1]
值分别约为135M P a 和32M P a , 即0. 205f 和0. 048f , y y 明显小于我国规范取值
。
B 1950C B 1950E S -50-22R -50-22R -65-22
B 3450C B 3450E
图3 焊接箱形截面残余应力分布(单位:k s i ; 1k s i =6. 895M P a )
F i g . 3 Re s i d u a l s t r e s s e s o f w e l d e d b o xs e c t i o n
(u n i t :k s i , 1k s i =6. 895M P a
)
图5 高强度钢材焊接箱形截面尺寸符号
F i g . 5 Sy m b o l s f o r h i g hs t r e n g t h s t e e l w e l d e d b o x s e c t i o n
s
图6 高强度钢材焊接箱形截面柱稳定承载力
图4 焊接I 形截面残余应力分布F i g . 4 Re s i d u a l s t r e s s e s o f w e l d e dI -s e c t i o n
F i g . 6 B u c k l i n g s t r e n g t h s f o r h i g hs t r e n g t hs t e e l
w e l d e db o x s e c t i o nc o l u m n s
2 整体稳定性
2. 1 焊接箱形截面试验结果
高强度钢材焊接箱形截面钢柱尺寸和钢材屈服
强度实测值f 和y 见表1, 表中截面尺寸符号如图5a 5b 所示, L 为钢柱计算长度; 轴心受压整体稳定承载力试验结果如图6所示, 具体数据见表2。
图6中, 曲线a 、b、c、d分别为我国钢结构设计规范中相应类型截面轴心受压构件的整体稳定系数曲线; 实心标记为根据材料特性标准受拉试验值计算得到, 空心标记为根据材料特性名义值计算的结果;
[1, 9]
λy
, λ为构件的长细
πE P u
比; φ为整体稳定系数, , P 为构件极限轴向u
y λ为正则化长细比, λn n 受压承载力(均为试验值) , A 为构件截面积。
表2中, δ/L为试件的初始几何缺陷(包括荷载偏心) 与试件计算长度的比值; φ为试件整体稳定系
数的试验值; φ为根据我国钢结构设计规范a 类截a 面计算得到的整体稳定系数。2. 2 焊接I 形截面(绕弱轴) 试验结果
高强度钢材焊接I 形截面(翼缘为焰切边) 钢柱尺寸和钢材屈服强度实测值f 见表3, 表中截面尺寸y
表2 焊接箱形截面钢柱整体稳定承载力T a b l e 2 Bu c k l i n gs t r e n g t ho f w e l d e d
b o x s e c t i o nc o l u m n s
试件分组
试件编号B S C S -10-22R -10-22
λn 0. 0970. 1700. 221
δ/L‰———0. 4301. 8300. 6290. 2601. 6400. 315
0. 3970. 2420. 7180. 1200. 8400. 480
φ0. 9700. 9871. 0630. 9110. 9050. 8520. 8490. 7190. 740
0. 7430. 593—0. 3610. 340—
φa 0. 9960. 9880. 9800. 9110. 9090. 8850. 7290. 7360. 727
0. 7510. 561—0. 3300. 327—
φ/φa 0. 9740. 9991. 0850. 9990. 9960. 9631. 1640. 9761. 017
0. 9901. 0571. 0201. 0941. 0411. 067
表3 焊接I 形截面钢柱(翼缘为焰切边) 尺寸与钢材强度
T a b l e 3 D i m e n s i o n s a n ds t e e l y i e l ds t r e n g t ho f w e l d e d
I -s e c t i o nc o l u mn s (f l a m e -c u t f l a n g e )
试件编号I S C
[1]
[1]
I 1000C
b m t m b m t m L/mm f /mf /mw /mw /m140. 0141. 5141. 1141. 5141. 5140. 3
7. 737. 707. 677. 707. 717. 75
142. 0140. 0141. 8141. 5143. 0142. 0
7. 737. 707. 717. 667. 757. 74
[***********]92950
f P a y /M[***********]
I 1000E I 1650E
[1]
[1]I 1650C
[1]
B 1150C 0. 553B 1150E 0. 562
第一组
S -35-22
0. 639
(λ2) B 1950C 0. 945n
B 1950E 0. 934S -50-22
R -50-22R -65-22平均值
0. 947
0. 9121. 185—
[1]
I 2950E
表4 焊接I 形截面钢柱(翼缘为焰切边)
绕弱轴整体稳定承载力
T a b l e 4 Bu c k l i n gs t r e n g t ho f w e l d e dI -s e c t i o nc o l u mn s
(f l a m e -c u t f l a n g e )a b o u t w e a ka x i s
试件分组
试件编号I S C I 1000C
第一组
I 1000E I 1650E
(λ2) I 1650C n
平均值
I 2950E
(λ≥1. 2) n
第二组
λn 0. 108
0. 5350. 5400. 8820. 886—1. 604
δ/L(‰)—
0. 7001. 3000. 2500. 6100. 7150. 680
φ1. 077
0. 9520. 9910. 8000. 762—0. 337
φa
φ/φa
0. 9951. 082
0. 9161. 0390. 9151. 0830. 7691. 0400. 7670. 993—
1. 047
第二组
B 3450E 1. 646
(λ≥1. 2) n
平均值—
B 3450C 1. 637
符号如图5c 所示, L 为钢柱计算长度; 轴心受压绕弱轴整体稳定承载力试验结果如图7所示, 具体数据见表4
[1]
0. 3420. 980
。图7和表4中各符号含义分别与图6和
表2相同
。
面。而从图7所示的试验结果可以得到, 所有试件的承载力试验值均高于b 类截面的计算值。所以, 将其划分为b 类截面是偏于保守的。
由于当柱子的长细比很大时, 各种截面钢柱的整体稳定系数差别不大, 均接近欧拉曲线(图6和图7) , 所以在表2和表4中, 将所有试件根据正则化长细比λn 分为两组。从表2和表4中第一组试件的试验数据及其与a 类截面比较结果可以得到, 对于常见长细比的高强度钢材焊接箱形截面钢柱和焊接I 形截面(翼缘为焰切边, 绕弱轴) 钢柱, 其整体稳定系数
图7 高强度钢材焊接I 形截面柱
(绕弱轴, 翼缘为焰切边) 稳定承载力
F i g . 7 Bu c k l i n g s t r e n g t h s f o r h i g h s t r e n g t hs t e e l w e l d e d I -s e c t i o n c o l u m n s (f l a m e -c u t f l a n g e )a b o u t w e a ka x i s
平均值分别能够达到和明显大于a 类截面曲线数值。同时还应注意到以下两点:
(1) 由于我国钢结构设计规范的轴心受压构件整体稳定系数曲线的确定方法是计算了96条曲线, 按同类截面的平均值进行截面类型划分值, 表明此类试件可以划分为a 类截面。
(2) 虽然表2和表4中第一组试件的初始几何缺陷平均值均小于我国规范采用的1‰,但是从试件B 1150E 、B1950E 和I 1000E 可以看到, 这3个试件的初始几何缺陷比1‰大很多, 但是其整体稳定系数仍然非常接近甚至超过a 类截面。而且其他所有试件中也没有出现其整体稳定系数比a 类截面明显偏小的情况。
此外, 欧洲钢结构协会的钢结构稳定手册
[12]
[5]
2. 3 结果分析与讨论
对于高强度钢材焊接箱形截面钢柱, 如果仍然采用我国钢结构设计规范的截面分类规定, 文献[1]试件的板件宽厚比约为18, 属于c 类截面; 文献[9]试件的板件宽厚比约为22, 属于b 类截面。而从图6所示的试验结果可以得到, 几乎所有试件的承载力试验值均高于b 类截面的计算值。所以, 如果将高强度钢材焊接箱形截面划分为b 类截面, 则具有很高的安全度和可靠性。
对于高强度钢材焊接I 形截面(翼缘为焰切边) 钢柱绕弱轴的整体稳定性, 如果仍然采用我国钢结构设计规范的截面分类规定, 所有试件属于b 类截
, 所以, 整
体稳定系数试验结果的平均值超过a 类截面曲线数
介
绍了其在制定钢结构设计规范有关轴心受压构件整
体稳定系数的相关规定时, 对高强度钢材焊接箱形钢柱的整体稳定承载力进行了相应的分析计算, 考虑了残余应力和1‰的初始几何缺陷的影响, 同时对钢材屈服强度进行了10%的折减, 计算得到的结果是, 对于焊缝尺寸不是很大的高强度钢材焊接箱形截面, a 类截面的曲线是其整体稳定系数曲线的下限。同时, 该手册还建议, 对于翼缘为焰切边的高强度钢材焊接I 形截面钢柱, 计算其绕弱轴的整体稳定承载力时采用a 类截面曲线是安全的。而欧洲钢结构规范
[13]
的a 类截面曲线与我国规范的a 类截面曲
[11]
线非常接近。
所以, 从目前试验和相关研究结果看, 将板厚
图8 高强度钢材焊接箱形轴心受压
柱翼缘局部稳定性能
F i g . 8 Lo c a l b u c k l i n g b e h a v i o r o f h i g hs t r e n g t h
s t e e l w e l d e db o x s e c t i o n c o l
u m n s
3 局部稳定性
3. 1 焊接箱形截面试验结果
高强度钢材焊接箱形截面轴心受压柱翼缘(四边支承板) 局部稳定性能试验结果见图8, 图中, λe 为受压翼缘的正则化宽厚比, λe b
y
, 其中, 235
图9 高强度钢材焊接I 形和十字形轴心
受压柱翼缘局部稳定性能
F i g . 9 Lo c a l b u c k l i n gb e h a v i o r o f h i g h s t r e n g t hs t e e l w e l d e dI -s e c t i o n a n d c r u c i f o r ms e c t i o nc o l u m n s
b 和t 均根据我国钢结构设计规范取值; σu 为钢柱翼缘极限压应力的试验值; f y 为翼缘钢材抗拉屈服强度试验值。
3. 2 焊接I 形和十字形截面试验结果
高强度钢材焊接I 形和十字形截面轴心受压柱翼缘(三边简支板) 局部稳定性能试验结果如图9所示, 其中, 文献[14]I 形表示I 形截面柱翼缘试验结果, 其余的为十字形截面柱翼缘试验结果。在I 形截面柱翼缘试验中, 腹板可能先于翼缘发生局部屈曲, 本文取整个柱截面的极限平均应力作为翼缘的极限
压应力, 是偏于安全的。图中各项含义与图8相同。3. 3 结果分析与讨论
图8和图9中所有试件的长细比λλe y 部屈曲应力低于钢材屈服强度, 即σ1. 0。根u /f y
。表5中列出了高强度钢材
(690M P a ) 轴心受压柱翼缘的λe y 试验值以及各国钢结构设计规范给出的λe y 限值。其中, 各国规范计算板件宽度b 的方法略有不同, 我国规范(G B 50017—
[6][16]
2003) 、澳大利亚规范(A S 4100) 和英国规范(B S 5950) 均为从所连接板件的表面计算; 而欧洲规范(E u r o c o d e 3) 则是从焊缝末端开始计算, 得到的宽度b 会略微小一些; 美国规范(A I S C -L R F D ) 则规定, 对I 形截面, b 取翼缘宽度的一半, 对焊接箱形截面, b 从焊缝末端开始计算。
从表5的比较结果来看, 我国规范对轴心受压柱翼缘宽厚比限值的规定与试验结果符合较好, 仍然适用于高强度钢材钢柱。
[18]
[13]
[17]
4 结论
通过总结目前高强度钢材轴心受压构件的试验结果, 并对其进行分析计算、讨论和比较, 可以得到以下结论:
(1) 对于板厚
表5 翼缘能够达到屈服强度的宽厚比限值λ比较e y T a b l e 5 Co mp a r i s o no f y i e l ds l e n d e r n e s sl i m i t λe y
λe y
截面形式及边界条件
焊接箱形截面柱翼缘(四边支承板) 焊接I 形和十字形截面柱翼缘
(三边简支板)
高强度钢材(690M P a ) 试验值
4013
中国规范(G B 50017—2003)
4013
澳大利亚规范(A S 4100) 41. 215. 5
美国规范40. 816. 3
英国规范
4013
欧洲规范
4214
(A I S C -L R F D ) (B S 5950) (E u r o c o d e 3)
(2) 在高强度钢材受压构件中, 残余应力与钢材屈服强度的比值减小, 从而提高其整体稳定承载力, 有必要进一步研究钢柱整体稳定系数与钢材强度变化的关系, 从而更好地发挥高强度钢材钢柱的优势。
(3) 我国钢结构规范关于轴心受压构件翼缘宽厚比限值的规定也适用于高强度钢材钢柱。
(4) 目前已有的高强度钢材轴心受力构件的试验, 其构件截面尺寸偏小, 需要进一步补充更大截面构件的试验, 以获得更加符合实际的结果。
参 考 文 献
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