热轧等边角钢柱试验结果及分析.doc

热轧等边角钢柱试验结果及分析 由于截面的单轴对称性，热轧等边角钢受压构件的整体失稳会消失弯曲和弯扭两种模态试验依据位于试件中间高度处测量横向变形的测点1-3 和1-4（图3-3 和图3-6）的位移计测量结果，来讨论 Q420 热轧等边角钢构件在轴压作用下的失稳变形过程图3-7的横向变形曲线较为典型，根本代表了全部试件的失稳变形特征，即除长细比最大的3 个试件A160-120-1、2、3 的失稳模态为绕截面弱轴的弯曲失稳外（如图 3-7b 所示），其余全部试件均为弯扭失稳（如图3-7a 所示）对于不同截面板件宽厚比的试件，其变形特征略有差异 全部试件失稳破坏后的形态如图 3-8 所示总体上 Q420 热轧等边角钢轴心受压柱的失稳模态呈现如下特点∶ （1）除长细比最大的3 个试件 A160-120-1、2、3 外，其他试件失稳破坏后的弯曲变形均不明显，都有较明显的扭转变形，如图3-8（a）所示 （2） 对于较短柱试件（绕弱轴长细比λ。

30、40、50），扭转变形大多集中在试件中部区域，如图3-8 （b）所示 （3）对于长柱试件（绕弱轴长细比λ，=60、80），大局部在靠近端部位置消失扭转变形，如图 3-8 （c）所示，这可能是由于构件的几何初始缺陷以及加载设备的端部约束条件导致的 图3-9（a）为试验结果与我国《钢构造设计标准》 GB 50017—2022 设计曲线的比照可以看出，试验结果明显高于热轧等边角钢轴压构件所属的b 类设计曲线，平均高出44.0%;比最高的 a类曲线平均高 25.8%; 大局部试验数据接近于欧拉曲线，局部数据甚至超过欧拉曲线这主要是由干我国 《钢构造设计标准》 规定角钢轴心受压构件的整体稳定设计必需考虑弯扭屈曲，给出的弯扭屈曲有用计算方法是把按弹性稳定理论计算所得的弯扭屈曲临界力直接换算成长细比拟大的等临界力的弯曲屈曲杆件，采纳换算长细比并依据柱子曲线计算相应的稳定系数这一换算过程按弹性考虑，并没有直接考虑初始缺陷的影响，而是间接通过柱子曲线来考虑（由于柱子曲线本身考虑了缺陷的影响）这意味着换算过程把弯扭屈曲构件的几何初始缺陷和剩余应力的影响效应等同于弯曲屈曲构件，但事实上并非如此，其缺乏严密的理论依据。

试验中消失稳定系数超过欧拉曲线的现象，很有可能是由于标准计算得到的换算长细比过大 图 3-9（b）为试验结果与欧洲钢构造设计标准 Eurocode 3 EN 1993-3-1 设计曲线的比照可以看出，试验结果明显高于对应的 b 类设计曲线，大局部试验结果的稳定系数甚至大于1.0可能的缘由有两个∶ 一是欧洲标准考虑板件局部屈曲的折减效应，对于单角钢轴压构件过分保守，导致折减过度，有效截面面积过小，试验整体稳定系数计算值超过 1.0二是欧洲标准同时考虑了板件局部屈曲折减效应和构件的弯扭失稳，后者通过计算正则化长细时采纳相应的屈曲模态弹性临界力考虑; 这种设计理论会导致设计值过低、设计结果过分保守，由于对于单轴对称的等边热轧角钢柱，板件局部屈曲和构件整体弯扭失稳是等效的，二者不宜重复考虑 图 3-9（c）为试验结果与欧洲塔桅钢构造标准 Eurocode 3 EN 1993-3-1设计曲线的比照可以看出，试验结果仍明显高于对应的 b 类设计曲线，且大局部高于1.0该标准与 EN 1993-1-1 的设计公式一样，但采纳板件局部屈曲的折减系数涵盖构件整体扭转失稳的影响，即没有重复考虑板件局部屈曲和构件弯扭失稳。

由于板件的局部屈曲折减方法本身对于单角钢轴压构件过于保守，有效截面面积计算值偏小，导致试验结果的整体稳定系数计算值远大于1.0 图3-9（d）为试验结果与美国标准 ANSI/AISC 360-10 设计曲线的比照不同截面尺寸的板件宽厚比折减系数 Q 不同，图中给出了6 种截面考虑板件局部屈曲折减效应后对应的设计曲线可以看出，试验结果随长细比的变化趋势与标准设计曲线全都，前者平均高于设计值 13.1%，且全部试验数据均在曲线之上这主要是由于对于轴压单角钢柱，该标准并没有考虑弯扭失稳的影响，只考虑了板件局部屈曲影响的折减，同时后者计算公式较合理 图3-9（e）为试验结果与美国输电铁塔标准 ASCE 10-97 设计曲线的比照该标准与美国钢构造设计标准 ANSL/AISC 360-10 的设计方法—样，但计算公式中详细的系数取值略有差异从图中比照可以看出，设计曲线能够很好地猜测试验结果的变化趋势，后者平均比设计曲线高出4.4% ; 但局部试验数据小于相应的设计值，最多的小于8.3% ，可能的缘由主要是构件的初始缺陷过大 上述讨论说明，我国和欧洲现行钢构造设计标准对于单角钢轴压构件的设计方法过分保守。

为了提出更合理的设计建议，本节归纳了国外其他学者获得的单角钢（屈服强度约为 250MPa）轴压构件试验数据，如图3-10 所示;图中正则化长细比λ，依据试件绕弱轴的弯曲长细比λ.计算得到Bjorhovde 提出了用线性关系表达整体稳定系数与长细比之间关系的可能性，同时指出需要更多的试验和理论验证从图 3-10（a）可以看出，线性拟合是不合理的，这主要是由于不同强度等级钢材、截面尺寸以及初始缺陷等因素的综合影响 。