超高強度鋼材構件應力和軸壓整體穩定性研究

鋼結構工程對規模、空間和高度的要求不斷增加，導致鋼結構材料的發展。自20世紀60年代超高強度鋼材在日本的實際工程中得到應用以來,世界各國越來越多的建筑結構和橋梁結構開始采用超高強度鋼材,新的歐洲規范也增加了最高到S690(名義屈服強度fy=690MPa)等級鋼材的相關規定。已有的研究成果表明,超高強度鋼材鋼柱的整體穩定系數?高于普通鋼材鋼柱,主要是因為構件的初彎曲、作用荷載的初偏心以及截面殘余應力等初始缺陷對超高強度鋼材鋼柱整體穩定性能的影響相對較小。特別是殘余壓應力的數值與鋼材的屈服強度沒有直接關系,在鋼柱截面起控制作用的關鍵部位,對于超高強度鋼材鋼柱而言,殘余壓應力與鋼材強度的比值要比普通鋼材鋼柱小很多,恰恰是這一比值對鋼柱的整體穩定系數有很大影響,而不是殘余應力的絕對數值大小。此外殘余應力的分布形式沿構件縱向沒有明顯區別。相比普通強度鋼材,鋼結構采用超高強度鋼材后能夠減小構件的截面尺寸和結構自重,創造更大的建筑使用空間,同時能夠減少焊接、涂層等工作量,降低運輸和施工安裝成本。實際工程也表明采用超高強度鋼材能夠降低工程總造價約10%。然而目前對超高強度鋼材鋼結構的研究還處于起步階段,并主要集中在對梁柱基本構件受力性能的研究上。雖然已有的試驗和數值計算結果都表明超高強度鋼材鋼柱的整體穩定系數?要明顯高于普通鋼材鋼柱,但目前國內外對超高強度鋼材鋼柱的穩定性,包括整體穩定和局部穩定性都研究得很少,這主要受限于對構件截面殘余應力研究的不足。本文結合國內外規范,基于已有的試驗測量結果,對超高強度鋼材構件截面殘余應力的分布和變化及其影響因素進行了全面分析。1焊接板件殘余應力的分布模型我國鋼結構規范中對于構件截面殘余應力的分布模型,主要參考了歐洲規范和美國規范中相應的內容,并進行了一定的簡化。圖1(a)為歐洲鋼結構穩定設計手冊中給出的剪切邊焊接工字形截面殘余應力分布模型簡圖,呈曲線分布,圖1(b)為美國規范采用的分布模型簡圖,呈折線分布,圖1(c)為我國規范采用的分布模型簡圖,呈曲線分布。王國周等人對焊接工字鋼截面殘余應力的量測結果表明,在翼緣端部、腹板中部和焊縫附近區域殘余應力大小基本為常數,這一特征在下文介紹的國外超高強度鋼材截面殘余應力的量測結果也有所體現,很明顯簡單的三角形和曲線分布模型不能反映這種特征,甚至不夠安全,所以本文建議焊接工字形截面殘余應力分布模型采用圖1(d)所示簡圖。對于焊接箱形截面我國規范將其殘余壓應力分布定義為二次曲線,同樣考慮到試驗結果和安全性,本文采用歐洲鋼結構穩定設計手冊的規定,如圖1(e)所示,認為焊接箱形截面殘余壓應力均勻分布。對于焊接十字形截面殘余應力的分布模型我國規范沒有具體規定,本文參考歐洲鋼結構穩定設計手冊中對焊接板件殘余應力分布模型的規定,選定焊接十字形截面殘余應力分布如圖1(f)所示。上述截面的板件均為剪切邊。2試驗測量測量針對超高強度鋼材焊接截面的殘余應力分布,國外進行了少量的試驗測量。試件截面形式包括焊接工字形、焊接箱形和焊接十字形三種,鋼材名義屈服強度集中在690MPa和700MPa兩個等級,試件截面尺寸參數如圖2所示。2.1殘余應力rfrw分布Rasmussen等人用分割法測量了超高強度鋼材焊接工字形截面的殘余應力分布,測量結果見表1中試件I1―試件I3(圖1(d)和圖2(a))。表1中殘余壓應力σrf和σrw分別為翼緣和腹板殘余壓應力測量結果的平均值,測點不包括翼緣與腹板焊縫連接附近區域,因為該區域為從殘余壓應力到殘余拉應力的過渡區域。Beg等人測量了2個超高強度鋼材焊接工字形截面翼緣處的殘余應力分布,測量結果見表1中試件I4―試件I5(圖1(d)和圖2(a))。表1中殘余壓應力σrf是試件翼緣兩側區域測點測量結果的平均值。表1中所有試件板材均為剪切邊。2.2殘余應力測量結果Rasmussen等人使用應變片測量了超高強度鋼材焊接箱形截面四邊中心位置處的殘余壓應力,見表2中試件B1―試件B4(圖1(e)和圖2(b)),其殘余壓應力值σr偏于安全地取截面四邊試驗結果的最大值。試件板材均為剪切邊。Usami等人用分割法測量了超高強度鋼材焊接箱形截面的殘余應力分布,翼緣和腹板分別有15個和13個測點,給出了其殘余壓應力測量結果的平均值,見表2中試件B5―試件B7(圖1(e)和圖2(c))。Nishino等人用分割法測量了A7普通鋼材(實測屈服應力約270MPa)和A514超高強度鋼材(實測屈服應力約757MPa)兩種焊接箱形柱截面殘余應力分布。通過對比發現,盡管兩種材料的屈服強度和板材加工方式均不同(分別為剪切邊和焰切邊),但由于焊接,殘余應力的分布基本沒有區別,并且兩種材料構件的殘余壓應力絕對數值也沒有明顯區別,因此超高強度鋼材截面的殘余壓應力與材料屈服強度比值要明顯小于普通鋼材,Nishino的測量結果分別是0.10―0.15和0.27―0.32。A514鋼材構件殘余應力測量結果見表2中試件B8―試件B9(圖1(e)和圖2(d))。上述幾組試驗所用試件的焊接方式和截面構造細節略有差別(圖2(b)―圖2(d)),會對殘余應力有一定影響,但本文為了得到具有普遍代表性的殘余應力分布模型,將上述三組試驗(試件B1―試件B9)統一作為焊接箱形一類截面進行分析。2.3殘余應力分布Rasmussen等人用分割法測量了超高強度鋼材焊接十字形截面的殘余應力分布,結果見表3中試件C1―試件C3(圖1(f)和圖2(e))。殘余壓應力測量值σr為遠離焊縫區域測點結果的平均值。試件板材為剪切邊。3板件厚比對殘余拉應力的影響綜合考慮上述試驗結果,可以發現殘余壓應力與材料屈服強度的比值隨著板件寬厚比的變化而明顯變化,不能簡單忽略。產生這種結果很重要的原因在于,對于焊接截面,殘余拉應力主要由于焊接過程中在焊縫區域產生大量熱,構件不均勻冷卻導致,其數值大小往往接近鋼材屈服強度,可以認為是一個常數。由于截面殘余應力的自平衡特征,導致殘余壓應力的大小取決于板件寬厚比的大小。通常情況下,板件寬厚比小的截面殘余壓應力數值要大于寬厚比較大的截面。以下針對板件均為剪切邊的超高強度鋼材三種焊接截面形式,分析板件寬厚比對構件殘余壓應力的影響。為便于研究,取殘余壓應力絕對值大小與材料屈服強度的比值來進行分析。3.1殘余壓應力分析翼緣殘余壓應力(σrf/fy)與翼緣寬厚比(bf/tf)的關系如圖3(a)所示。為定量給出這兩者間的關系曲線,本文根據試驗結果進行擬合。對于寬厚比較小的數據部分,利用斜直線包絡所有數據點以確保安全,同時考慮到當寬厚比較大時,板件殘余壓應力逐漸減小,但又缺乏試驗數據,所以偏于安全地用一水平段直線代替。根據斜線段和水平段定出折點位置。對于超高強度鋼材焊接工字形截面翼緣,擬合曲線如圖3(a)所示,采用式(1)計算。圖3(a)中數據點A明顯偏離試驗數據的整體變化趨勢,且Rasmussen等人也認為殘余壓應力數值隨寬厚比增大而減小,所以本文認為該點測量結果有誤,在曲線擬合時未考慮該點。式(1)的計算值比相應試驗結果高出至少6.64%。腹板殘余壓應力(σrw/fy)與腹板寬厚比(bw/tw)的關系如圖3(b)所示,采用相同的擬合方法,得到式(2)來計算其殘余壓應力大小。公式計算值比相應試驗結果高出至少5.26%。3.2殘余壓應力大小t殘余壓應力(σr/fy)與板件寬厚比(b/t)的關系如圖4所示。采用相同的擬合方法得到式(3)來計算其殘余壓應力大小。式(3)的計算值比相應試驗結果高出至少7.14%。3.3超高強度鋼絞線殘余應力公式殘余壓應力(σr/fy)與板件寬厚比(b/t)的關系如圖1所示。采用相同的擬合方法得到式(4)來計算其殘余壓應力大小。式(4)的計算值比相應試驗結果高出至少4.74%。上文通過對試驗結果的分析討論給出了板件均為剪切邊的超高強度鋼材三種焊接截面殘余壓應力的表達公式,其計算值比相應試驗結果高出至少4.74%,具有一定的安全儲備。由于已有的試驗結果有限,上述公式僅適用于一定范圍內的板件寬厚比。限于試驗條件,目前對于超高強度鋼材焊接截面殘余拉應力的研究還很少。本文參照文獻將焊接截面焊縫區域的殘余拉應力大小取為材料的屈服強度fy。據此提出超高強度鋼材三種焊接截面的殘余應力分布模型,分別如圖1(d)―圖1(f)所示,其中σrt取材料的屈服強度fy,σrf、σrw、σr根據式(1)―式(4)確定,當板件寬厚比較大時,本文偏于安全的取殘余壓應力分別為0.1fy和0.12fy。4超高強度鋼結構殘余應力分布模型的建立本文針對超高強度鋼材三種焊接截面的殘余應力分布,總結了國外相關試驗測量結果,并進行了對比分析,同時研究了板件寬厚比對殘余壓應力的影響,提出了這三種焊接截面的殘余應力分布模型,給出了具體的計算公式,為研究超高強度鋼材受壓構