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      冷彎厚壁型鋼冷彎效應試驗研究
      作者:  發布時間:2016-07-28 09:33:41
      1 問題提出
      冷彎成型過程使鋼材屈服強度提高,且眾多試驗結果表明,冷彎薄壁型鋼(我國薄鋼規范[1]和《冷彎薄壁型鋼結構設計手冊》[2]中,習慣上把壁厚不超過 6mm 的冷彎型鋼稱為冷彎薄壁型鋼)的屈服強度可提高 50%以上。我國《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》中,考慮冷彎效應強度提高的強度設計公式僅局限于冷彎薄壁型鋼。顯然,要推廣冷彎型鋼更加廣泛地應用于建筑結構中,必須打破 6mm 這一壁厚的限制。因此,研究冷彎厚壁(本文把厚度大于 6mm 的稱作為厚壁)型鋼冷彎效應,尤其是研究冷作硬化強度提高值及其在設計中適當的利用方法,具有重大的現實意義。
      2 試驗研究
      2.1 試驗簡介
      本文試驗對象為冷彎厚壁型鋼方(矩)形管中切取的彎角和平板板件、方(矩)形管短柱和相應的母材板件,各板件均沿管長方向切取,總試件數為 84 個。其中,冷彎厚壁型鋼系由母材卷板經壓彎成型,單縫高頻對焊而成空心方(矩)形鋼管。試件分為兩組,每一組中有三個厚度,即 8mm、10mm 和 12mm;每一組鋼管或短柱的截面尺寸各不相同。試驗材料均為普通碳素鋼(Q235-B)。試樣加工前作校直處理,彎角均為 90°圓心角。標準試樣如圖 1 所示,其中圖(a)表示加工后的平板和母材試樣形式,即板狀帶頭長比例試樣
      [3].圖(b)表示從方(矩)形管中截取的彎角標準試樣,切去了平行段的直邊部分,取彎角的彎曲核心部分
      [4].短柱試件將兩端整平,上端加蓋板后在 500 噸試驗機上進行軸壓試驗。
       
       
      2.2 板件試驗結果分析
      冷作硬化使材料的屈服強度有所提高,但同時材料的延伸率將會降低。可以認為,鋼材屈服強度的提高是以犧牲材料的塑性變形能力為代價的。同時鋼材的彈性模量也將會受到冷彎效應的影響。表 1 中列出了各板件的強度值及其提高值和延伸率值;表 2 中列出了部分板件的彈模值。表中試件編號的第一個字母 A、B 分別表示第一、第二批材料;第二個字母 O、B 和 J 分別表示母材、平板板材和彎角板材;8、10 和 12 為板件厚度值,單位為 mm。
       
       

      表 1 中屈服強度 σ s和延伸率10δ 均為試驗均值,其中母材值為 3 塊母材板件平均值,平板和彎角板材值則為 4 塊板件平均值。強度提高為平板和彎角屈服強度相對于母材屈服強度提高百分比。表中數據表明:
      1)平板試件的屈服強度提高值一般在 3%~5%,屈服強度沒有明顯的提高;彎角部分強度提高則很明顯,一般在 30%~50%。
      2)母材的延伸率隨著厚度的增加而增加,且各組材料都滿足 Q235-B 鋼材的機械性能要求[5],即 22%
      10δ ≥;冷彎成型后,各種厚度的平板板材的延伸率比母材延伸率減少較小,平均減少值約為 2%~5%。實際上,這一平均值還包含了高頻對接焊縫的影響;彎角板材延伸率降低的幅度較大,且延伸率的值一般不超過 10%。

       

       

       

       

      2.4 規范計算全截面屈服強度與短柱試測值分析
      在短柱試驗中,為使短柱只發生壓曲破壞而不致發生整體屈曲失穩,短柱不能太長,但是,為使其與從同一型材上截得的較長構件具有相同的殘余應力圖形,短柱也不能太短,需要有相當的長度。一般冷彎型鋼短柱的長度 L 需要滿足下述要求[8,9]:L ≥ 3h、minL ≤ 20r,式中,h 為型鋼截面的最大尺寸,rmin為截面的最小回轉半徑。本文試驗的短柱名義長度為 900mm。短柱試驗的對中分兩個階段,即幾何對中和物理對中[4,9]。為顧及以往的試驗習慣并與普鋼的軸心壓桿試驗方法取得一致,以便于試驗值與其他方法計算值的比較,這次短柱試驗中以“物理對中”為主。兩種公式的計算結果以及短柱試驗實測值列于表 3。其中公式(1)中的f取母材屈服強度試驗值。表中 A、B 表示第一、第二批材料;Z 表示短柱;8、10 和 12 分別為厚度;C 為彎角面積和全截面面積的比值。各強度均為三根短柱試件平均屈服強度,單位為 MPa。短柱試件中,所有彎角的相對彎曲半徑(內表面彎曲半徑與厚度的比值)為 1.5 左右。
       
      從表 3 中的數據可以看出:
      1) 兩組材料的母材試件的屈服強度實測值均在 260MPa 左右,各值相差很小,不同厚度的材料強度相差很小。
      2) 第一批短柱試件中,三種厚度尺寸的短柱試件強度實測值分別為母材屈服強度的1.159、1.407 和 1.371 倍,而第二批短柱試件則分別為 1.208、1.175 和 1.178 倍。10mm 和12mm 厚的第一批矩形截面的短柱試件強度相對于母材屈服強度提高值普遍大于第二批方形截面短柱試件,其原因一是由于第一批試件的長度普遍小于短柱試件長度的下限要求;其二,可從方(矩)形截面短柱的各邊之間的相互支撐(相互約束)作用考慮。第二批試件厚度為 10mm 和 12mm 的方形截面短柱試件,截面尺寸為 300mm×300mm,短柱四面平板部分較寬,而第一批短柱截面均為 320mm×200mm,當厚度相同時,雖然矩形管兩長邊稍大于方管板寬,但是,兩短邊卻比方管小得多。整體說來,矩形管四邊的相互支撐作用比方管大,所以,同一厚度時,矩形截面全截面強度提高大于方管截面。
      3) 同一批短柱試件中,當截面尺寸相同時,厚度越大,短柱全截面強度提高就越大。第二批試件中的 8mm 厚的短柱強度提高 20.8%,大于第一批的 8mm 厚的矩形短柱 15.9%。可以說明,強度的實際提高值與中截面的周長 l 是成反比的,這一點與公式(1)是一致的。
      4) 運用國內外冷彎型鋼規范公式,即我國《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》中的考慮冷彎效應強度提高時的設計公式即式(1)和北美、澳大利亞及新西蘭冷彎型鋼設計規范中考慮強化全截面屈強度設計公式即式(3)計算時,同一截面形式的短柱,全截面屈服強度與壁厚成正比。而且,公式(3)的計算結果較公式(1)的結果小。
      5) 雖然,公式(1)和公式(3)計算所得全截面強度值都比短柱試驗實測值小,但是,從表中還可以看出,隨著厚度的增加實測全截面強度提高的增長率(1.178/1.175=1.003)比公式(1)和公式(3)計算的強度增長率(1.165/1.131=1.030;1.164/1.124=1.037)小。所以這兩種公式若直接用于厚壁型鋼的強度設計時,都不太適合,尤其是對于厚度較大的型鋼。
      3 結論與建議
      1) 本次試驗成功地獲取了各板材試件的屈服強度,并得出平板和彎角板材冷彎效應強度提高值、冷彎效應對板件延伸率及彈模的影響。
      2) 板材試驗和短柱試驗結果表明,冷作硬化過程使冷彎型鋼材料屈服強度得到提高,短柱全截面強度提高值一般在 15.9~40.7%,這一強度提高確有利用價值。
      3) 隨著厚度的增長和截面尺寸的增加,采用國內外規范中的設計公式計算全截面屈服強度都不太適合。根據以上結論,本文提出如下建議:
      1) 根據國內外兩種計算方法相比較的結果,且考慮到我國規范更能適合我國生產的鋼材的性質,所以建議對我國《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》中考慮冷彎效應強度提高的設計公式進行修正。
      2) 由試驗結果表明,同一種截面形式的短柱,隨著厚度的增加,短柱全截面強度是增大的,因此,在修正公式時應保證隨厚度的增長,強度提高值的利用也是增大的。
      3) 考慮到截面形式相同時,隨著厚度的增長,全截面強度提高的增長率是減小的,所以所提出的修正函數應該是厚度 t 的減函數。
      4) 建議修正公式時可以以厚度為 12mm、截面為方形的這一最不利的情況為一限制條件,而且,為了體現薄壁和厚壁的平衡過渡,應該考慮到 6mm 的大方管仍然可以運用薄鋼公式。
      5) 所提出的公式應該適合多種形式的相對彎曲半徑、不同彎角數目的開口或閉合截面形式。

                                                       以上由三通厚鋼板卷管介紹

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