冷弯角钢的轴向压缩试验

第一作者：D. Popovic；D.波波维奇；

第二作者：G. J. Hancock；G. J.汉考克；

第三作者：K. J. R. Rasmussen；K. J. R拉斯穆森；

摘要：

本文介绍了冷弯内嵌镀锌等边角钢分别在固定端和简支端情况下的压缩试验。从非细长截面到细长截面，对三种名义尺寸的截面进行了试验。并且对它们的材料特性，残余应力以及几何缺陷进行了详细的测量。在测试时，对简支端的样本施加了具有最小偏心距的偏心荷载，偏心距为L/1000，施加于短轴上，从而引起角肢尖端的压缩。将此次试验的数据与澳大利亚还有美国关于冷弯、热轧钢构件的规范相比较。通过试验我们发现，由短柱试验测量得到的截面承载能力比根据规范公式计算得到的承载能力高15%到40%。通过这个得到的结论是，没有必要在澳大利亚和美国关于冷弯钢构件的规范标准的基础上，考虑导致有效质心产生偏移的附加偏心距。同时，对所有等级的截面施加的L/1000的偏心距，应当仅仅施加于细长截面上。这些结论使得规范中的设计强度提高了25%。

引言：

冷成型钢结构构件因为它们的高的强度和轻的质量，在现代钢结构中正扮演着越来越重要的角色，基于此，可以达到节约建筑工业成本的目的。冷弯型钢产品的生产越来越精细化，到目前为止，内嵌镀锌已经逐渐成为形成过程的一部分。在澳大利亚，角钢截面是由Broken Hill Propriety Structural 以及Pipeline Products (简称BHP-SPP)，通过这样一种步骤与过程生产的。1993年，赵和汉考克将内嵌镀锌的过程与冷成形的过程相结合，并且发现这样可以将截面的强度性能提高达到30%。在澳大利亚，传统的冷成型开口截面的壁厚度已经提高到3.5毫米了。随着现今冷成形科学技术的不断发展，生产厚度达8 毫米的冷弯开口薄壁截面已经具有可行性了。现今的热轧型截面其应力等级通常能够达到250兆帕到300兆帕，与此同时，薄壁冷成型截面，例如檩条形状，一般具有450兆帕,500兆帕以及550兆帕的应力等级。而这种新型的冷弯型截面的应力等级介于这两者之间。

本文介绍了12种边界条件为固定端的冷弯型内嵌镀锌DuraGal角钢以及18种边界条件为简支端的冷弯型内嵌镀锌DuraGal角钢的压缩试验，而这些角钢都是由BHP-SPP制造出来的。本文的目的是提供压缩试验的数据，从而决定冷成型角钢的设计规则与要求，使之能够应用于澳大利亚极限状态的钢结构标准4100-1998（“steel”1998），澳大利亚/新西兰极限状态的冷成型钢结构标准4600-1996（“cold-formed”1996），以及美国钢铁协会冷弯型钢结构构件规范（“specification”1996）中的实际设计。本文研究的重点是将冷成型和内嵌镀锌相结合的材料特性及其对柱强度的影响。澳大利亚标准4100-1998中具有五个设计柱子曲线，分别对应不同的截面类型和不同的材料。柱子曲线是由连续截面杆件的所定义的，取值范围为-1.0 到 1.0，并且依次为0.5的增量。值为-1.0，0.0，1.0的曲线分别密切相等对应着SSRC曲线上的1，2，3值。而=0.5时的曲线密切对应着AISC-LRFD曲线。由于现在规范AS 4100中并没有承认并采用冷弯角钢对其屈服强度的提高作用，因此，目前为止，冷成型的过程的有利作用并没有应用于截面形状的设计中。但是，新的冷成型钢结构澳大利亚/新西兰标准AS/NZS 4600-1996，参考采用了AISI规范，并且允许了通过冷成型从而达到提高屈服强度的目的。

这个项目的具体目标是试验细长以及非细长等边角钢柱，将该试验结果与规范AS 4100-1990中的多重柱子曲线相对比，从而给出可以运用于实际设计中的恰当曲线建议。这些试验结果同时也与AS/NZS 4600-1996和AISI冷弯薄壁型钢结构构件的设计规则与规范相比较。与此同时，本文也介绍了给出的冷弯型角钢的设计规则建议所要求的适用范围。

材料的性能

截面尺寸

本文选定了三种不同截面尺寸的等边角钢，其中包括：L50times;50times;2.5、L50times;50times;4.0以及L50times;50times;5.0。它们的名义壁厚度分别为2.4毫米、3.8毫米以及4.7毫米，如表1中所示。值得注意的是，测量得到不包含表面镀锌层的壁厚度分别为2.31毫米、3.79毫米以及4.70毫米。截面每一侧所测量得到的涂层的厚度均为20微米。截面的选择是基于规范AS 4100中的6.2.3项决定的板单元截面长细比而确定的。截面L50times;50times;2.5被划分为细长截面，而截面L50times;50times;5.0由于其有效受压面积等于其总面积，因而被定义为非细长截面。采用350兆帕的标称值作为其屈服应力（fy），而处于中间的截面L50times;50times;4.0被定义为非细长截面。然而，如果要采用388兆帕这一测量得到的屈服应力值，那么截面L50times;50times;4.0就应该被定义为细长截面，因为它的有效屈服面积占据总面积的99%。

板单元的长细比通过规范AS 4100中定义得到：

式中，b表示从支承板单元边到自由边的距离；t表示板件的厚度；fy表示屈服应力。冷弯支承板件在一个纵向边缘的屈服长细比限值（）为15（见表6.2.4，AS 4100），这样板件长细比超过，就算强度小于fy，也会导致平面内失稳。每一个截面的板件单元长细比以及形状因子（kf）如表2中所示，这是以名义上以及实际测得的尺寸和屈服应力为基础的。形状因子（kf）是根据规范AS 4100决定的，它表示当所受压应力与fy相等时，有效面积与总面积的比值。

拉伸试验

根据澳大利亚标准“金属拉伸试验方法”，AS 1391-1991（“方法”1991）中所示，拉伸试验为了准备以及测量屈服应力（fy）、抗拉强度（fu）、初始杨氏模量（E）以及断裂后的伸长率（eu）。详尽完整的关于测试的开始、设置、步骤以及过程的细节，在波波维奇的研究报告中有所展示（于1996）。

对每一个不同尺寸的截面来说，一个拉伸试验从角肢中部开始，一个拉伸试验从角部开始，而另一个拉伸试验从用于构成截面的相应的条状部分开始。拉伸被切断，这样使得其纵向的轴线变得与最终轧制的方向相平行。进行测验的样品并不会被重新使其顺直。表面的光洁度是人为制造的。在测验之前，每一个拉伸试验都配备有两个线性应变片。采用弹性应变率大概为，塑性应变率大概为，以此来进行拉伸的试验。在停止试验一分钟后，记录此时的真正静态荷载读数，以此作为最终屈服静态荷载的大概值。

典型的压缩试验的应力-应变曲线是从条板、平板以及角部切断的，如图1中所示，此时，应力为两个应变计读书的平均值，同时，应力为测量所得到的荷载除以初始面积。冷成形的过程中虽然提高了屈服应力以及拉伸强度，但同时也在一定程度上降低了材料的延展性。而更重要的影响在于材料角部的地方，其屈服应力会提高大约200兆帕。然而对于拉伸试验从条板和平板处切断的情况，根据研究报告指明，其屈服应力会有所降低，因为这时候的材料表现出了屈服平台。角部的拉伸应力为对应残余应力为0.2%时的应力（f0.2），因为这里的材料没有屈服平台。表3给出了拉伸试验的结果。由平板拉伸试验计算得到的静力屈服荷载平均值分别为396兆帕，388兆帕以及388兆帕，同时其对应的名义厚度分别为2.4毫米，3.8毫米以及4.7毫米。

残余应变

在冷成形的过程中，一个截面是由一个最初的扁平的钢材所形成的线圈，通过很多的轧制卷套，并且逐渐形成所需的形状。每一个轧制的步骤都进行了一定量的冷加工，因此，导致在截面中会产生附加残余应力。残余应变的分布会随着宽度的变化而变化，因为被投入在角肢尖端、角肢中部处以及角部的冷加工数量各有不同。由于截面的形成过程中的其应变输入的数量同样也影响材料的屈服应力以及伸长率的百分比。

从每个截面尺寸中取用了500毫米的长度，以用于计算测量残余应力。杆件中间部分的长度被用于实际测量。标本被标记为7毫米的宽度和长度大约为60毫米的条带。在标本的两侧均标记有条带。在每一条条带上标记的长度大约为50毫米。使用剑桥原位引伸计从而来测定残余应变的大小（丹斯顿和怀特于1977年）。这个仪器的灵敏度为0.001毫米，这是相当于20应变，超过了一个50毫米的规范长度。详尽且完整的关于残余应变的测定的开始、设置、步骤以及过程的细节，在波波维奇的研究报告中有所展示（于1996）。

所有在两侧的条带的初始读数已经被记录之后，随着对应的温度，该条带通过使用带锯而被切断。在切割过程中，应该要很注意减少输入热量的数量，以致于，随着冷却液的不断流动，切割的进行是非常缓慢的。残余应变的值是由50毫米的初始标准长度除以标准长度的变化值而得到的。每个单独的一小块，都应当随着相应的温度而重复的读数。根据初始状态以及最终结束状态时测量得到的温度之差，从而将读数进行修正。由于残余应变在每个条带的两侧均进行了测量，这使得通过厚度（弯曲应变）从而计算膜应变以及应变梯度具有一定的可能性。膜应变是根据条带的每一侧应变读数的平均值计算得到的。弯曲应变根据条带的外侧以及内侧的应变读数的差值再除以2计算得到。对于内侧的横断面而言，如果弯曲应变为正值的话，说明其具有较高的压缩（或者说较低的拉伸）残余应变。

每一个尺寸的截面的膜应变以及弯曲残余应变，如表4以及图2和3中所示。对于三个不同尺寸的截面而言，膜的残余应变的分布以及大小都是非常小的。有一个压缩应变被展示在角肢的尖端以及角部。在板件的中间部分具有很紧的膜的张力。壁厚为2.4毫米的截面有着比其他两个截面稍微高一点的应力。压缩膜应变的最大值出现在截面拐角的地方，可以高达1200mu;应力，这就是相当于一个240兆帕的应力。拉伸膜应变的最大值可以达到大约500mu;应力。图3中所示的弯曲应变在某些情况下超过了1400mu;的应变，特别是在凸缘端。

压缩试验

短柱试验

短柱试验是根据加兰伯斯的附录B而进行的（于1988年）。试验的目的是确定完整的横截面的平均应力-应变关系以及截面的抗压强度（Ns）。

每个尺寸的试样都进行了测试。详尽完整的关于测试的开始、设置、步骤以及过程的细节，在波波维奇的研究报告中有所展示（于1996）。表5给出关于了样本的设计和尺寸。短柱进行测试时，使用的应变率约为2.2times;10^-4s^-1。每个测试被停止在极限的附近，直到荷载趋于稳定，从而使得真正的静态负载能够被记录。应变是通过试件的缩短量除以初始试样长度而计算得到的。

表5以及图4展示了短柱试验的结果。所有短柱样品的失效模式是角肢发生了非弹性的局部屈曲。图4给出了每个截面尺寸的一个样本的图例。很明显的是，更细长的截面比不那么细长的截面发生屈曲的时间更早。L50times;50times;5.0这个截面，作为其中最紧凑的截面，是三个截面当中唯一一个表现出了屈服平台的截面，虽然它与截面L50times;50times;4.0一样具有最大的应力。短柱试验测量得到的平均最大静态应力值分别为320兆帕、453兆帕以及453兆帕，而它们的名义壁厚度分别为2.4毫米、3.8毫米以及4.7毫米。

长柱试验

试验台

试验台是专门设计和建造用于测试长柱的。250 kN液压伺服控制执行器是用于提供样本试件的轴向压缩力。可移动的端部支承允许测试长度达到4米的试样。简支端是被设计用于，允许短轴绕其旋转，同时抑制长轴绕其旋转，扭转以及翘曲。固定端被设计用于，同时抑制短轴以及长轴发生旋转，旋转以及翘曲。传感器连接到采集系统中的数据采集器以及计算机的接口。详尽且完整的关于残余应变的测定的开始、设置、步骤以及过程的细节，在波波维奇的研究报告中有所展示（于1996）。

每一个固定端都是由一个在里面的钢箱以及轴承板组成，在设置的过程中，可以在受荷载的方向上自由滑动。在轴承板的背面有一个压缩弹簧，压缩弹簧是被用来保证试样和轴承之间具有充分接触的。最开始，施加一个小的荷载（大约1千牛），使得轴压板能够进行自我调整，以致于试样与轴承板完全接触。有八个高强度螺栓，然后被用以锁定轴承板的位置，从而以确保在随后的测试中具备一个固定端的边界条件。四个侧向板件被用来抑制轴承板的扭转旋转。整个组件由四个刚性的杆件而实现与支撑框架的连接。在简支端与固定端之间唯一的区别就是，简支端的轴承板被锚固在一根轴上，以此来允许试件绕垂直轴的旋转，而不是像固定端一样，具有四个杆件支承。试件被定位，以致于它们的最次要轴恰好与支承其旋转的轴相一致，从而迫使样品试件绕着最次要轴发生弯曲。

当不止一个相同长度的试件进行测试时，指定试件的名称，其中包括用两个字母命名支承情况，用两个数字命名名义厚度，用两个数字命名柱的长细比，并且用一个数字命名试件序号。支承情况可以分别用LO代表固定端，用LP代表简支端。在这个测试程序中使用到的长柱的有效长度大约为690毫米，485毫米以及875毫米。对于壁厚度为4.7毫米的截面，它的长度分别对应于长细比值lambda;为0.7,1.0以及1.3。其中，lambda;由以下方程计算得到，假设fy=400兆帕，同时E=200000兆帕。

举例来说，命名为LO47071的试件，代表截面为第一种样式，即L50times;50times;5.0，同时lambda;=0.7，测试的过程中边界条件为固定端。表6中给出了各个测试试件的实际长度。其附加有效长度大约分别为275毫米、1100毫米以及1300毫米的试件

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