超高强度钢材构件应力和轴压整体稳定性研究

超高强度钢材构件应力和轴压整体稳定性研究

钢结构工程对规模、空间和高度的要求不断增加，导致钢结构材料的发展。自20世纪60年代超高强度钢材在日本的实际工程中得到应用以来,世界各国越来越多的建筑结构和桥梁结构开始采用超高强度钢材,新的欧洲规范也增加了最高到S690(名义屈服强度fy=690MPa)等级钢材的相关规定。已有的研究成果表明,超高强度钢材钢柱的整体稳定系数ϕ高于普通钢材钢柱,主要是因为构件的初弯曲、作用荷载的初偏心以及截面残余应力等初始缺陷对超高强度钢材钢柱整体稳定性能的影响相对较小。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,对于超高强度钢材钢柱而言,残余压应力与钢材强度的比值要比普通钢材钢柱小很多,恰恰是这一比值对钢柱的整体稳定系数有很大影响,而不是残余应力的绝对数值大小。此外残余应力的分布形式沿构件纵向没有明显区别。相比普通强度钢材,钢结构采用超高强度钢材后能够减小构件的截面尺寸和结构自重,创造更大的建筑使用空间,同时能够减少焊接、涂层等工作量,降低运输和施工安装成本。实际工程也表明采用超高强度钢材能够降低工程总造价约10%。然而目前对超高强度钢材钢结构的研究还处于起步阶段,并主要集中在对梁柱基本构件受力性能的研究上。虽然已有的试验和数值计算结果都表明超高强度钢材钢柱的整体稳定系数ϕ要明显高于普通钢材钢柱,但目前国内外对超高强度钢材钢柱的稳定性,包括整体稳定和局部稳定性都研究得很少,这主要受限于对构件截面残余应力研究的不足。本文结合国内外规范,基于已有的试验测量结果,对超高强度钢材构件截面残余应力的分布和变化及其影响因素进行了全面分析。1焊接板件残余应力的分布模型我国钢结构规范中对于构件截面残余应力的分布模型,主要参考了欧洲规范和美国规范中相应的内容,并进行了一定的简化。图1(a)为欧洲钢结构稳定设计手册中给出的剪切边焊接工字形截面残余应力分布模型简图,呈曲线分布,图1(b)为美国规范采用的分布模型简图,呈折线分布,图1(c)为我国规范采用的分布模型简图,呈曲线分布。王国周等人对焊接工字钢截面残余应力的量测结果表明,在翼缘端部、腹板中部和焊缝附近区域残余应力大小基本为常数,这一特征在下文介绍的国外超高强度钢材截面残余应力的量测结果也有所体现,很明显简单的三角形和曲线分布模型不能反映这种特征,甚至不够安全,所以本文建议焊接工字形截面残余应力分布模型采用图1(d)所示简图。对于焊接箱形截面我国规范将其残余压应力分布定义为二次曲线,同样考虑到试验结果和安全性,本文采用欧洲钢结构稳定设计手册的规定,如图1(e)所示,认为焊接箱形截面残余压应力均匀分布。对于焊接十字形截面残余应力的分布模型我国规范没有具体规定,本文参考欧洲钢结构稳定设计手册中对焊接板件残余应力分布模型的规定,选定焊接十字形截面残余应力分布如图1(f)所示。上述截面的板件均为剪切边。2试验测量测量针对超高强度钢材焊接截面的残余应力分布,国外进行了少量的试验测量。试件截面形式包括焊接工字形、焊接箱形和焊接十字形三种,钢材名义屈服强度集中在690MPa和700MPa两个等级,试件截面尺寸参数如图2所示。2.1残余应力rfrw分布Rasmussen等人用分割法测量了超高强度钢材焊接工字形截面的残余应力分布,测量结果见表1中试件I1―试件I3(图1(d)和图2(a))。表1中残余压应力σrf和σrw分别为翼缘和腹板残余压应力测量结果的平均值,测点不包括翼缘与腹板焊缝连接附近区域,因为该区域为从残余压应力到残余拉应力的过渡区域。Beg等人测量了2个超高强度钢材焊接工字形截面翼缘处的残余应力分布,测量结果见表1中试件I4―试件I5(图1(d)和图2(a))。表1中残余压应力σrf是试件翼缘两侧区域测点测量结果的平均值。表1中所有试件板材均为剪切边。2.2残余应力测量结果Rasmussen等人使用应变片测量了超高强度钢材焊接箱形截面四边中心位置处的残余压应力,见表2中试件B1―试件B4(图1(e)和图2(b)),其残余压应力值σr偏于安全地取截面四边试验结果的最大值。试件板材均为剪切边。Usami等人用分割法测量了超高强度钢材焊接箱形截面的残余应力分布,翼缘和腹板分别有15个和13个测点,给出了其残余压应力测量结果的平均值,见表2中试件B5―试件B7(图1(e)和图2(c))。Nishino等人用分割法测量了A7普通钢材(实测屈服应力约270MPa)和A514超高强度钢材(实测屈服应力约757MPa)两种焊接箱形柱截面残余应力分布。通过对比发现,尽管两种材料的屈服强度和板材加工方式均不同(分别为剪切边和焰切边),但由于焊接,残余应力的分布基本没有区别,并且两种材料构件的残余压应力绝对数值也没有明显区别,因此超高强度钢材截面的残余压应力与材料屈服强度比值要明显小于普通钢材,Nishino的测量结果分别是0.10―0.15和0.27―0.32。A514钢材构件残余应力测量结果见表2中试件B8―试件B9(图1(e)和图2(d))。上述几组试验所用试件的焊接方式和截面构造细节略有差别(图2(b)―图2(d)),会对残余应力有一定影响,但本文为了得到具有普遍代表性的残余应力分布模型,将上述三组试验(试件B1―试件B9)统一作为焊接箱形一类截面进行分析。2.3残余应力分布Rasmussen等人用分割法测量了超高强度钢材焊接十字形截面的残余应力分布,结果见表3中试件C1―试件C3(图1(f)和图2(e))。残余压应力测量值σr为远离焊缝区域测点结果的平均值。试件板材为剪切边。3板件厚比对残余拉应力的影响综合考虑上述试验结果,可以发现残余压应力与材料屈服强度的比值随着板件宽厚比的变化而明显变化,不能简单忽略。产生这种结果很重要的原因在于,对于焊接截面,残余拉应力主要由于焊接过程中在焊缝区域产生大量热,构件不均匀冷却导致,其数值大小往往接近钢材屈服强度,可以认为是一个常数。由于截面残余应力的自平衡特征,导致残余压应力的大小取决于板件宽厚比的大小。通常情况下,板件宽厚比小的截面残余压应力数值要大于宽厚比较大的截面。以下针对板件均为剪切边的超高强度钢材三种焊接截面形式,分析板件宽厚比对构件残余压应力的影响。为便于研究,取残余压应力绝对值大小与材料屈服强度的比值来进行分析。3.1残余压应力分析翼缘残余压应力(σrf/fy)与翼缘宽厚比(bf/tf)的关系如图3(a)所示。为定量给出这两者间的关系曲线,本文根据试验结果进行拟合。对于宽厚比较小的数据部分,利用斜直线包络所有数据点以确保安全,同时考虑到当宽厚比较大时,板件残余压应力逐渐减小,但又缺乏试验数据,所以偏于安全地用一水平段直线代替。根据斜线段和水平段定出折点位置。对于超高强度钢材焊接工字形截面翼缘,拟合曲线如图3(a)所示,采用式(1)计算。图3(a)中数据点A明显偏离试验数据的整体变化趋势,且Rasmussen等人也认为残余压应力数值随宽厚比增大而减小,所以本文认为该点测量结果有误,在曲线拟合时未考虑该点。式(1)的计算值比相应试验结果高出至少6.64%。腹板残余压应力(σrw/fy)与腹板宽厚比(bw/tw)的关系如图3(b)所示,采用相同的拟合方法,得到式(2)来计算其残余压应力大小。公式计算值比相应试验结果高出至少5.26%。3.2残余压应力大小t残余压应力(σr/fy)与板件宽厚比(b/t)的关系如图4所示。采用相同的拟合方法得到式(3)来计算其残余压应力大小。式(3)的计算值比相应试验结果高出至少7.14%。3.3超高强度钢绞线残余应力公式残余压应力(σr/fy)与板件宽厚比(b/t)的关系如图1所示。采用相同的拟合方法得到式(4)来计算其残余压应力大小。式(4)的计算值比相应试验结果高出至少4.74%。上文通过对试验结果的分析讨论给出了板件均为剪切边的超高强度钢材三种焊接截面残余压应力的表达公式,其计算值比相应试验结果高出至少4.74%,具有一定的安全储备。由于已有的试验结果有限,上述公式仅适用于一定范围内的板件宽厚比。限于试验条件,目前对于超高强度钢材焊接截面残余拉应力的研究还很少。本文参照文献将焊接截面焊缝区域的残余拉应力大小取为材料的屈服强度fy。据此提出超高强度钢材三种焊接截面的残余应力分布模型,分别如图1(d)―图1(f)所示,其中σrt取材料的屈服强度fy,σrf、σrw、σr根据式(1)―式(4)确定,当板件宽厚比较大时,本文偏于安全的取残余压应力分别为0.1fy和0.12fy。4超高强度钢结构残余应力分布模型的建立本文针对超高强度钢材三种焊接截面的残余应力分布,总结了国外相关试验测量结果,并进行了对比分析,同时研究了板件宽厚比对残余压应力的影响,提出了这三种焊接截面的残余应力分布模型,给出了具体的计算公式,为研究超高强度钢材受压构