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冷弯厚壁型钢冷弯效应试验研究
作者:  发布时间:2016-07-28 09:33:41
1 问题提出
冷弯成型过程使钢材屈服强度提高,且众多试验结果表明,冷弯薄壁型钢(我国薄钢规范[1]和《冷弯薄壁型钢结构设计手册》[2]中,习惯上把壁厚不超过 6mm 的冷弯型钢称为冷弯薄壁型钢)的屈服强度可提高 50%以上。我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中,考虑冷弯效应强度提高的强度设计公式仅局限于冷弯薄壁型钢。显然,要推广冷弯型钢更加广泛地应用于建筑结构中,必须打破 6mm 这一壁厚的限制。因此,研究冷弯厚壁(本文把厚度大于 6mm 的称作为厚壁)型钢冷弯效应,尤其是研究冷作硬化强度提高值及其在设计中适当的利用方法,具有重大的现实意义。
2 试验研究
2.1 试验简介
本文试验对象为冷弯厚壁型钢方(矩)形管中切取的弯角和平板板件、方(矩)形管短柱和相应的母材板件,各板件均沿管长方向切取,总试件数为 84 个。其中,冷弯厚壁型钢系由母材卷板经压弯成型,单缝高频对焊而成空心方(矩)形钢管。试件分为两组,每一组中有三个厚度,即 8mm、10mm 和 12mm;每一组钢管或短柱的截面尺寸各不相同。试验材料均为普通碳素钢(Q235-B)。试样加工前作校直处理,弯角均为 90°圆心角。标准试样如图 1 所示,其中图(a)表示加工后的平板和母材试样形式,即板状带头长比例试样
[3].图(b)表示从方(矩)形管中截取的弯角标准试样,切去了平行段的直边部分,取弯角的弯曲核心部分
[4].短柱试件将两端整平,上端加盖板后在 500 吨试验机上进行轴压试验。
 
 
2.2 板件试验结果分析
冷作硬化使材料的屈服强度有所提高,但同时材料的延伸率将会降低。可以认为,钢材屈服强度的提高是以牺牲材料的塑性变形能力为代价的。同时钢材的弹性模量也将会受到冷弯效应的影响。表 1 中列出了各板件的强度值及其提高值和延伸率值;表 2 中列出了部分板件的弹模值。表中试件编号的第一个字母 A、B 分别表示第一、第二批材料;第二个字母 O、B 和 J 分别表示母材、平板板材和弯角板材;8、10 和 12 为板件厚度值,单位为 mm。
 
 

表 1 中屈服强度 σ s和延伸率10δ 均为试验均值,其中母材值为 3 块母材板件平均值,平板和弯角板材值则为 4 块板件平均值。强度提高为平板和弯角屈服强度相对于母材屈服强度提高百分比。表中数据表明:
1)平板试件的屈服强度提高值一般在 3%~5%,屈服强度没有明显的提高;弯角部分强度提高则很明显,一般在 30%~50%。
2)母材的延伸率随着厚度的增加而增加,且各组材料都满足 Q235-B 钢材的机械性能要求[5],即 22%
10δ ≥;冷弯成型后,各种厚度的平板板材的延伸率比母材延伸率减少较小,平均减少值约为 2%~5%。实际上,这一平均值还包含了高频对接焊缝的影响;弯角板材延伸率降低的幅度较大,且延伸率的值一般不超过 10%。

 

 

 

 

2.4 规范计算全截面屈服强度与短柱试测值分析
在短柱试验中,为使短柱只发生压曲破坏而不致发生整体屈曲失稳,短柱不能太长,但是,为使其与从同一型材上截得的较长构件具有相同的残余应力图形,短柱也不能太短,需要有相当的长度。一般冷弯型钢短柱的长度 L 需要满足下述要求[8,9]:L ≥ 3h、minL ≤ 20r,式中,h 为型钢截面的最大尺寸,rmin为截面的最小回转半径。本文试验的短柱名义长度为 900mm。短柱试验的对中分两个阶段,即几何对中和物理对中[4,9]。为顾及以往的试验习惯并与普钢的轴心压杆试验方法取得一致,以便于试验值与其他方法计算值的比较,这次短柱试验中以“物理对中”为主。两种公式的计算结果以及短柱试验实测值列于表 3。其中公式(1)中的f取母材屈服强度试验值。表中 A、B 表示第一、第二批材料;Z 表示短柱;8、10 和 12 分别为厚度;C 为弯角面积和全截面面积的比值。各强度均为三根短柱试件平均屈服强度,单位为 MPa。短柱试件中,所有弯角的相对弯曲半径(内表面弯曲半径与厚度的比值)为 1.5 左右。
 
从表 3 中的数据可以看出:
1) 两组材料的母材试件的屈服强度实测值均在 260MPa 左右,各值相差很小,不同厚度的材料强度相差很小。
2) 第一批短柱试件中,三种厚度尺寸的短柱试件强度实测值分别为母材屈服强度的1.159、1.407 和 1.371 倍,而第二批短柱试件则分别为 1.208、1.175 和 1.178 倍。10mm 和12mm 厚的第一批矩形截面的短柱试件强度相对于母材屈服强度提高值普遍大于第二批方形截面短柱试件,其原因一是由于第一批试件的长度普遍小于短柱试件长度的下限要求;其二,可从方(矩)形截面短柱的各边之间的相互支撑(相互约束)作用考虑。第二批试件厚度为 10mm 和 12mm 的方形截面短柱试件,截面尺寸为 300mm×300mm,短柱四面平板部分较宽,而第一批短柱截面均为 320mm×200mm,当厚度相同时,虽然矩形管两长边稍大于方管板宽,但是,两短边却比方管小得多。整体说来,矩形管四边的相互支撑作用比方管大,所以,同一厚度时,矩形截面全截面强度提高大于方管截面。
3) 同一批短柱试件中,当截面尺寸相同时,厚度越大,短柱全截面强度提高就越大。第二批试件中的 8mm 厚的短柱强度提高 20.8%,大于第一批的 8mm 厚的矩形短柱 15.9%。可以说明,强度的实际提高值与中截面的周长 l 是成反比的,这一点与公式(1)是一致的。
4) 运用国内外冷弯型钢规范公式,即我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的考虑冷弯效应强度提高时的设计公式即式(1)和北美、澳大利亚及新西兰冷弯型钢设计规范中考虑强化全截面屈强度设计公式即式(3)计算时,同一截面形式的短柱,全截面屈服强度与壁厚成正比。而且,公式(3)的计算结果较公式(1)的结果小。
5) 虽然,公式(1)和公式(3)计算所得全截面强度值都比短柱试验实测值小,但是,从表中还可以看出,随着厚度的增加实测全截面强度提高的增长率(1.178/1.175=1.003)比公式(1)和公式(3)计算的强度增长率(1.165/1.131=1.030;1.164/1.124=1.037)小。所以这两种公式若直接用于厚壁型钢的强度设计时,都不太适合,尤其是对于厚度较大的型钢。
3 结论与建议
1) 本次试验成功地获取了各板材试件的屈服强度,并得出平板和弯角板材冷弯效应强度提高值、冷弯效应对板件延伸率及弹模的影响。
2) 板材试验和短柱试验结果表明,冷作硬化过程使冷弯型钢材料屈服强度得到提高,短柱全截面强度提高值一般在 15.9~40.7%,这一强度提高确有利用价值。
3) 随着厚度的增长和截面尺寸的增加,采用国内外规范中的设计公式计算全截面屈服强度都不太适合。根据以上结论,本文提出如下建议:
1) 根据国内外两种计算方法相比较的结果,且考虑到我国规范更能适合我国生产的钢材的性质,所以建议对我国《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中考虑冷弯效应强度提高的设计公式进行修正。
2) 由试验结果表明,同一种截面形式的短柱,随着厚度的增加,短柱全截面强度是增大的,因此,在修正公式时应保证随厚度的增长,强度提高值的利用也是增大的。
3) 考虑到截面形式相同时,随着厚度的增长,全截面强度提高的增长率是减小的,所以所提出的修正函数应该是厚度 t 的减函数。
4) 建议修正公式时可以以厚度为 12mm、截面为方形的这一最不利的情况为一限制条件,而且,为了体现薄壁和厚壁的平衡过渡,应该考虑到 6mm 的大方管仍然可以运用薄钢公式。
5) 所提出的公式应该适合多种形式的相对弯曲半径、不同弯角数目的开口或闭合截面形式。

                                                 以上由三通厚钢板卷管介绍

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