高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力试验研究.docx

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高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力试验研究

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摘要：为了解国产Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压的力学性能，以数值积分法和有限单元法对7个已有焊接箱形柱轴心受压试验进行数值分析。试件宽厚比为8～12，长细比为35～70。数值模型中考虑了实测的初始挠度、初始偏心及简化的残余应力分布模型。分析预测Q460高强钢焊接箱形柱轴心受压的极限承载力和荷载－挠度曲线。数值积分法分析结果与有限元分析结果吻合。为验证数值分析的准确性，将预测结果与已有试验结果进行对比发现，考虑残余应力、初始偏心、初始挠度的数值积分法与有限元分析可以准确地预测Q460钢焊接箱形柱受压力学行为。通过对比采用简化残余应力分布模型与采用实测残余应力分布模型的有限元分析结果，验证简化残余应力分布模型的准确性。

关键词：高强钢焊接箱形柱;轴心受压;极限承载力

引言

我国很多的大型建筑钢结构中，例如居民楼、办公楼等，都广泛的应用了高强钢，极大地促进了建筑行业的发展进程。为了将高强钢自身所具备的重要作用以及优势完全发挥出来，相关的工作人员在工作时要严格把控各个细节，焊接操作需要非常严格和规范，不但要保障高强钢的焊接质量，整个建筑结构的施工质量和安全也要得到保障。因此，深入研究高强钢的焊接结束，将其完全应用于现代建筑工程之中，突破现存的焊接的难点窘况，使用达标的焊接材料，才是当下创新进程中的重中之重[1]。

1、试验概况

1.1、试件设计与制造

试验共制作了7根不同长细比的Q460高强钢焊接箱形柱试件，其名义板厚均为11mm，名义长度均为3m。柱长细比分别为35、50、70，除长细比为70类型的试件为3根，其余类型各2根。不同的长细比以不同的截面尺寸来实现。为了排除局部屈曲对试件极限承载力的影响，试件截面宽厚比均满足GB50017—2003《钢结构设计规范》对构件局部稳定的要求，3种截面的宽厚比分别为8、12、18。试件所用Q460钢板采用火焰切割，并采用匹配的高强焊丝ER55-D2焊接而成。焊接采用气体保护焊手工焊接，试件两端500mm为全熔透焊接，其余部位为部分熔透焊接，焊接电流190～195A，焊接电压28～30V，平均焊接速度2.3mm/s。试件的制作过程中采用了优化的焊接工艺及焊接顺序以减小试件的焊接变形。加工完毕后又对柱两端各500mm范围及端板焊接部位进行了火焰矫正，以减小初始挠度并调整两端端板至相互平行。试件截面尺寸见图1。

图1截面尺寸

1.2、材性试验

试件加工前先对所使用的Q460高强钢钢板按照GB/T2975—1998《国家标准钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》与GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》取样进行拉伸试验。所得钢材力学性能平均值见表2，其数值将用于计算分析。表1中:E为弹性模量;fy为屈服强度，试验中采用0.2%非比例延伸强度;fu为抗拉强度;δ为断后伸长率[2]。

表1钢材力学性能

1.3、加载制度试

该系统竖向加载器最大推力10000kN，作动器行程±300mm。试件两端均安装了单轴铰接支座，在支座转动平面内可视为理想铰接。试件B-8-70-1与B-8-70-3设置为绕y轴转动，其余试件设置为绕x轴转动。试件安装时将上下支座调平对中，并使试件的上下端板投影重合。试件安装完毕后先实施预加载，检查应变仪、位移计等监测设备的运行状况，判定位移计方向。初始偏心在加载前已经测量完毕，预加载阶段不再进行物理对中，只判断截面应力应变情况是否与初始缺陷情况相符合。各项准备工作检查无误后进行正式加载。

2、计算结果及分析

2.1、计算结果

为了验证数值积分法预测高强钢焊接箱形柱受压极限承载力的准确性，将考虑实测几何初始缺陷与简化残余应力模型的预测值同文献试验结果进行了比较。数值积分法所预测受压极限承载与试验测得的极限荷载吻合较好，其预测值平均大于试验值1%，方差为9%。采用有限元法的计算结果与数值积分法预测结果相比最大差值为5%，与试验结果相比的平均差值和方差与数值积分法相同，分别为1%和9%[3]。

2.2、影响箱形柱轴心受压极限承载力的因素

残余应力分布绕x轴与y轴均对称，因此绕某一对称轴弯曲失稳时，无论是顺时针弯曲或是逆时针弯曲，稳定系数均相同。然而残余应力在平行于x轴的I/III边和平行于y轴的II/IV边上的分布并不相同，因此对于绕x轴和y轴失稳的情况应加以区分。将数值积分法分析所得Q460钢焊接箱形柱绕y轴弯曲稳定系数与绕x轴弯曲稳定系数相比较[4]。当绕截面y轴弯曲时，II边与IV边的残余压应力区域较I边与III边宽，对极限承载力的影响更大。因此，当分析结果用于设计建议时，应采纳较保守的绕y轴弯曲失稳的情况。另外，当焊接箱形截面的板件宽