高强度钢材轴心受压构件的受力性能_施刚
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目前 , 高强 度钢 材 已经 在国 外多 个 实际 工程 中 得到应用 , 获得了 很好的效 果 。例如 , 位 于德国 柏林 的索尼中 心大 楼 (SonyCenter)采 用了 S460 和 S690 高强 度 钢 材 (屈 服 强 度 标 准 值 分 别 为 460MPa和 690MPa), 有效 减小 了 构件 截 面 , 降低 结 构自 重 (图 1);澳大利亚悉尼的星城饭店 (StarCity)采用了 S690 高强度钢材 (图 2)。
焊 接 箱 形截 面 , 腹 板 -翼 缘 焊 缝 处 残 余 拉应 力 约 为
0.6 fy;截面所有板件中部的残 余压应 力几乎是 恒定
的 , 3 个 试 件 的 测 量 值 分 别 是 0.138 fy、0.087fy和
0.112fy, 推荐残余压应力取
0.1
f[ 9]
y
。
Nishino等人 测 得 690MPa钢 材 (真 实 值分 别 为
Behaviorofhighstrengthsteelcolumnsunderaxialcompression
SHIGang, WANGYuanqing, SHIYongjiu (KeyLaboratoryofStructuralEngineeringandVibrationofChinaEducationMinistry,
799MPa和 711MPa)焊 接箱 形 截面 残 余应 力 分布 如
ห้องสมุดไป่ตู้
93
图 3所 示 , 板 件 中 部 残 余 压 应 力 分 别 为 0.10 fy和 0.15fy[ 10] 。
上述试验测得的板 件中部 残余压应 力明显 小于 我国和欧洲规范计算柱子曲线时采用的数值 [ 11-12] 。 1.2 焊接 I形截面
88.3 —
— 4.96 1950 705
89.4 —
— 4.97 1950 705
—
151 122.0 6.01 2690 741
—
151 94.2 6.00 2090 741
—
151 94.4 6.01 2720 741
90.2 —
— 4.97 3451 705
89.9 —
— 4.94 3451 705
产品 , 通常是将钢板焊接成需要的截面 。
1.1 焊接箱形截面
Rasmussen等人 测量 得到 的 690MPa钢材 (真 实
值 705MPa)焊接箱形 截面各边 中部的 残余压应 力值
分别 为 145MPa、 92MPa、 148MPa、 105MPa, 平 均 值 为
123MPa, 为 0.174 fy[ 1] 。 Usami等人测得 690MPa钢 材 (真实 值 741MPa)
已有的理 论分 析 和试 验结 果 表明 [ 1] , 采 用高 强 度钢材加工 制作 的钢 柱 , 在 达 到整 体稳 定极 限 承载 力时 , 其极限应力 σu与屈服强度 fy的比值 σu/fy(即 整体稳定系数 φ)要比 相同 长度 和截 面的 普通 强度 钢材钢柱 高很 多 。这 主要 是 因为 , 残余 应力 特 别是 残余压 应力 的 数 值 与钢 材 的 屈服 强 度 没 有直 接 关 系 , 在钢柱截面起控 制作用的 关键部 位 , 对于高 强度 钢材钢柱而 言 , 残 余应 力与 钢 材屈 服强 度的 比 值要 比普通钢材 钢柱 小很 多 ;对 钢 柱的 整体 稳定 系 数有 很大影响的 正是 这一 比值 , 而 不是 残余 应力 的 绝对 数值大小 。所以 , 对于 高强度钢 材钢柱 , 可采用 比普 通钢材钢柱 高的 整体 稳定 系 数 , 这 样能 够提 高 其整 体稳定承载 力 , 更 加充 分地 发 挥高 强度 钢材 钢 柱的 强度优势 。
基金项目 :国家自然科学基金 (50708051), 长江学者创新团队发展计划联合资助 。 作者简介 :施刚 (1977— ), 男 , 安徽铜陵人 , 工学博士。 E-mail:shigang@tsinghua.edu.cn 收稿日期 :2007 年 12月
92
0 引言
焊接截面 钢构 件以 其 截面 尺寸 选 择灵 活 、能 充 分发挥钢材的承载 能力 、构件 自重小 、节约材料 成本 等优越性 , 在 我国 广泛 用于 多 高层 建筑 以及 单 层工 业厂房和各种公共 建筑等 大空间结 构中 。在焊 接截 面钢构件中采用高 强度钢 材 , 通过合 理设计 , 能 够充 分发挥其强度优势 , 提高构件 承载力 , 减小构件 截面 尺寸和降低自重 。
TsinghuaUniversity, Beijing100084, China)
Abstracts:Theapplicationofhighstrengthsteelinsomepracticalengineeringprojectsareintroducedinthispaper. Basedontheexperimentalresearchaboutthebucklingbehaviorofhighstrengthsteelweldedsectioncolumnsunder axialcompression, theresidualstressdistributionsforhighstrengthsteelweldedboxsectionsandI-sectionsare presented, alongwithcalculation, analysis, discussionandcomparisonoftheexperimentalresults.Theoveralland localbucklingbehaviorofhighstrengthsteelweldedsectioncentrallyloadedcolumnswereinvestigated.Theresults indicatethat, theoverallbucklingresistancereductionfactorofhighstrengthsteelweldedboxsectionandI-section (aboutweakaxis, flame-cutflange)centrallyloadedcolumnsfabricatedfrom steelplatewiththicknesslessthan 40mmishigherthanthatofthesamecolumnsfabricatedfromordinarysteel, andtheflangelocalbucklingbehaviorof thesetwosectionsarenotimproved.Itcanbeconcludedthatfortheabovetwosectionsstudiedthebucklingcurveb canbeselectedandtheflangeslendernesslimitscanadopttheprovisionsinthecurrentChinesesteelstructuresdesign code. Keywords:steelstructure;highstrengthsteel;axialcompressionmember;steelcolumn;stability
摘要 :介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况 , 基于高强度 钢材焊接截 面钢柱轴心 受压试验 结果 , 给出了高强 度钢材 焊接箱形和焊接 I形截面的残余应力分布 ,并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算 、讨论和比较 , 对 高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究 。研究结果 表明 ,焊 接箱形和焊接 I形 (绕弱 轴 , 翼缘为焰切边 )两种截面 (板厚 <40mm)的高强度钢材 (屈服强度 690MPa)轴心受压构件的整体稳定系数高于普通钢材 钢构件 , 可以划分为 b类截面 ;而翼缘的局部稳定性能没有明显 提高 ,翼 缘宽厚比 限值仍可采 用我国现 行钢结构规 范的规 定值 。 关键词 :钢结构 ;高强度钢材 ;轴心受压构件 ;钢柱 ;稳定 中图分类号 :TU391 文献标识码 :A
图 3 焊接箱形截面 残余应力分布 (单位 :ksi;1ksi=6.895MPa)
Fig.3 Residualstressesofweldedboxsection (unit:ksi, 1ksi=6.895MPa)
建筑结构学报 JournalofBuildingStructures 文章编号 :1000-6869 (2009) 02-0092-06
第 30卷 第 2期 2009年 4月 Vol.30 No.2 April2009
012
高强度钢材轴心受压构件的受力性能
施 刚 , 王元清 , 石永久 (清华大学 结构工程与振动教育部重点实验室 , 北京 100084)
关于钢结 构受 压构 件 的整 体稳 定 性能 , 国内 目 前仅对普通 强度 钢材 钢构 件 进行 了研 究 , 制 定 了相 应的设计计算方法 [ 3-5] , 对高 强度钢 材构 件尚未 开展 研究 。我国 《钢结构设计规范 》(GB50017— 2003)[ 6] 也没有关于 高强 度钢 材钢 柱 的设 计方 法 、计 算 公式 以及相关 规定 。 在冷 弯薄 壁 型钢 结构 方面 , 国 内则 对屈 服强 度为 550MPa的高 强冷弯 薄壁 型钢轴 心受 压构件进行了一些研究 [ 7-8] 。
高强度钢 材还 在多 座 桥梁 中得 到 应用 , 包括 位 于 德 国 Dusseldorf-Ilverich的 莱 茵 河 大 桥 、 德 国 Ingolstadt附近的高速 公路 桥梁 (多跨 连续 梁桥 )、德 国 Nesenbachtalbrǜcke一 座 高 架 桥 、法 国 著 名 的 Millau大桥 、意大 利的 VerrandViaduct大桥 、瑞 典的 军用 48m跨快速 安装 桥梁 等等 , 均取 得了 很好 的经 济效益 [ 2] 。
研究 主要集 中在 屈服强 度名 义值约 为 690MPa的钢 材 , 所以本文中主要是指此类钢材 。
本文总结 了目 前国 外的 试 验结 果 , 对 其 进行 了 分析计算 , 并与我国规 范进行 了对比 , 为 高强度 钢材 钢柱在我国的应用提供了设计和计算参考建议 。
1 残余应力
对于高强 度钢 材 , 目 前 世界 上尚 没有 热 轧型 钢
试验测量得到的名义强度 690MPa钢材 (真实值 660MPa)、翼缘为焰切边的焊接 I形截 面的残 余应力 分布如图 4所示 [ 1] 。翼缘 和腹板 的残余 压应力 平均 值分别约为 135MPa和 32MPa, 即 0.205 fy和 0.048fy, 明显小于我国规范取值 。
表 1 焊接箱形截面钢柱尺寸及钢材屈服强度 Table1 Dimensionsandsteelyieldstrengthof
关于高强度钢材 , 国 内外尚 没有统 一 、明确 的定
图 1 德国柏林索尼中心大楼 Fig.1 SonyCentreinBerlin, Germany
图 2 澳大利亚悉尼星城饭店 Fig.2 StarCityinSydney, Australia
义 , 针对我国钢结构设 计规范 , 通常 是指屈 服强 度 fy >420MPa的钢 材 。由 于目 前 国外 已 有的 相 关试 验
b/mm B/mm D/mm t/mm L/mm fy /MPa
88.8 —
— 4.95 400 705
—
151 127.0 6.01 501 741
—
151 93.5 5.98 500 741
88.9 —
— 5.00 1149 705
87.6 —
— 4.95 1150 705
—
151 127.0 6.00 1880 741
weldedboxsectioncolumns
试件编号
BSC[ 1] S-10-22[ 9] R-10-22[ 9] B1150C[ 1] B1150E[ 1] S-35-22[ 9] B1950C[ 1] B1950E[ 1] S-50-22[ 9] R-50-22[ 9] R-65-22[ 9] B3450C[ 1] B3450E[ 1]
焊 接 箱 形截 面 , 腹 板 -翼 缘 焊 缝 处 残 余 拉应 力 约 为
0.6 fy;截面所有板件中部的残 余压应 力几乎是 恒定
的 , 3 个 试 件 的 测 量 值 分 别 是 0.138 fy、0.087fy和
0.112fy, 推荐残余压应力取
0.1
f[ 9]
y
。
Nishino等人 测 得 690MPa钢 材 (真 实 值分 别 为
Behaviorofhighstrengthsteelcolumnsunderaxialcompression
SHIGang, WANGYuanqing, SHIYongjiu (KeyLaboratoryofStructuralEngineeringandVibrationofChinaEducationMinistry,
799MPa和 711MPa)焊 接箱 形 截面 残 余应 力 分布 如
ห้องสมุดไป่ตู้
93
图 3所 示 , 板 件 中 部 残 余 压 应 力 分 别 为 0.10 fy和 0.15fy[ 10] 。
上述试验测得的板 件中部 残余压应 力明显 小于 我国和欧洲规范计算柱子曲线时采用的数值 [ 11-12] 。 1.2 焊接 I形截面
88.3 —
— 4.96 1950 705
89.4 —
— 4.97 1950 705
—
151 122.0 6.01 2690 741
—
151 94.2 6.00 2090 741
—
151 94.4 6.01 2720 741
90.2 —
— 4.97 3451 705
89.9 —
— 4.94 3451 705
产品 , 通常是将钢板焊接成需要的截面 。
1.1 焊接箱形截面
Rasmussen等人 测量 得到 的 690MPa钢材 (真 实
值 705MPa)焊接箱形 截面各边 中部的 残余压应 力值
分别 为 145MPa、 92MPa、 148MPa、 105MPa, 平 均 值 为
123MPa, 为 0.174 fy[ 1] 。 Usami等人测得 690MPa钢 材 (真实 值 741MPa)
已有的理 论分 析 和试 验结 果 表明 [ 1] , 采 用高 强 度钢材加工 制作 的钢 柱 , 在 达 到整 体稳 定极 限 承载 力时 , 其极限应力 σu与屈服强度 fy的比值 σu/fy(即 整体稳定系数 φ)要比 相同 长度 和截 面的 普通 强度 钢材钢柱 高很 多 。这 主要 是 因为 , 残余 应力 特 别是 残余压 应力 的 数 值 与钢 材 的 屈服 强 度 没 有直 接 关 系 , 在钢柱截面起控 制作用的 关键部 位 , 对于高 强度 钢材钢柱而 言 , 残 余应 力与 钢 材屈 服强 度的 比 值要 比普通钢材 钢柱 小很 多 ;对 钢 柱的 整体 稳定 系 数有 很大影响的 正是 这一 比值 , 而 不是 残余 应力 的 绝对 数值大小 。所以 , 对于 高强度钢 材钢柱 , 可采用 比普 通钢材钢柱 高的 整体 稳定 系 数 , 这 样能 够提 高 其整 体稳定承载 力 , 更 加充 分地 发 挥高 强度 钢材 钢 柱的 强度优势 。
基金项目 :国家自然科学基金 (50708051), 长江学者创新团队发展计划联合资助 。 作者简介 :施刚 (1977— ), 男 , 安徽铜陵人 , 工学博士。 E-mail:shigang@tsinghua.edu.cn 收稿日期 :2007 年 12月
92
0 引言
焊接截面 钢构 件以 其 截面 尺寸 选 择灵 活 、能 充 分发挥钢材的承载 能力 、构件 自重小 、节约材料 成本 等优越性 , 在 我国 广泛 用于 多 高层 建筑 以及 单 层工 业厂房和各种公共 建筑等 大空间结 构中 。在焊 接截 面钢构件中采用高 强度钢 材 , 通过合 理设计 , 能 够充 分发挥其强度优势 , 提高构件 承载力 , 减小构件 截面 尺寸和降低自重 。
TsinghuaUniversity, Beijing100084, China)
Abstracts:Theapplicationofhighstrengthsteelinsomepracticalengineeringprojectsareintroducedinthispaper. Basedontheexperimentalresearchaboutthebucklingbehaviorofhighstrengthsteelweldedsectioncolumnsunder axialcompression, theresidualstressdistributionsforhighstrengthsteelweldedboxsectionsandI-sectionsare presented, alongwithcalculation, analysis, discussionandcomparisonoftheexperimentalresults.Theoveralland localbucklingbehaviorofhighstrengthsteelweldedsectioncentrallyloadedcolumnswereinvestigated.Theresults indicatethat, theoverallbucklingresistancereductionfactorofhighstrengthsteelweldedboxsectionandI-section (aboutweakaxis, flame-cutflange)centrallyloadedcolumnsfabricatedfrom steelplatewiththicknesslessthan 40mmishigherthanthatofthesamecolumnsfabricatedfromordinarysteel, andtheflangelocalbucklingbehaviorof thesetwosectionsarenotimproved.Itcanbeconcludedthatfortheabovetwosectionsstudiedthebucklingcurveb canbeselectedandtheflangeslendernesslimitscanadopttheprovisionsinthecurrentChinesesteelstructuresdesign code. Keywords:steelstructure;highstrengthsteel;axialcompressionmember;steelcolumn;stability
摘要 :介绍了高强度钢材在实际工程中的应用状况 , 基于高强度 钢材焊接截 面钢柱轴心 受压试验 结果 , 给出了高强 度钢材 焊接箱形和焊接 I形截面的残余应力分布 ,并结合多个国家的钢结构设计规范对试验结果进行了分析计算 、讨论和比较 , 对 高强度钢材焊接截面轴心受压构件整体稳定和局部稳定受力性能进行了研究 。研究结果 表明 ,焊 接箱形和焊接 I形 (绕弱 轴 , 翼缘为焰切边 )两种截面 (板厚 <40mm)的高强度钢材 (屈服强度 690MPa)轴心受压构件的整体稳定系数高于普通钢材 钢构件 , 可以划分为 b类截面 ;而翼缘的局部稳定性能没有明显 提高 ,翼 缘宽厚比 限值仍可采 用我国现 行钢结构规 范的规 定值 。 关键词 :钢结构 ;高强度钢材 ;轴心受压构件 ;钢柱 ;稳定 中图分类号 :TU391 文献标识码 :A
图 3 焊接箱形截面 残余应力分布 (单位 :ksi;1ksi=6.895MPa)
Fig.3 Residualstressesofweldedboxsection (unit:ksi, 1ksi=6.895MPa)
建筑结构学报 JournalofBuildingStructures 文章编号 :1000-6869 (2009) 02-0092-06
第 30卷 第 2期 2009年 4月 Vol.30 No.2 April2009
012
高强度钢材轴心受压构件的受力性能
施 刚 , 王元清 , 石永久 (清华大学 结构工程与振动教育部重点实验室 , 北京 100084)
关于钢结 构受 压构 件 的整 体稳 定 性能 , 国内 目 前仅对普通 强度 钢材 钢构 件 进行 了研 究 , 制 定 了相 应的设计计算方法 [ 3-5] , 对高 强度钢 材构 件尚未 开展 研究 。我国 《钢结构设计规范 》(GB50017— 2003)[ 6] 也没有关于 高强 度钢 材钢 柱 的设 计方 法 、计 算 公式 以及相关 规定 。 在冷 弯薄 壁 型钢 结构 方面 , 国 内则 对屈 服强 度为 550MPa的高 强冷弯 薄壁 型钢轴 心受 压构件进行了一些研究 [ 7-8] 。
高强度钢 材还 在多 座 桥梁 中得 到 应用 , 包括 位 于 德 国 Dusseldorf-Ilverich的 莱 茵 河 大 桥 、 德 国 Ingolstadt附近的高速 公路 桥梁 (多跨 连续 梁桥 )、德 国 Nesenbachtalbrǜcke一 座 高 架 桥 、法 国 著 名 的 Millau大桥 、意大 利的 VerrandViaduct大桥 、瑞 典的 军用 48m跨快速 安装 桥梁 等等 , 均取 得了 很好 的经 济效益 [ 2] 。
研究 主要集 中在 屈服强 度名 义值约 为 690MPa的钢 材 , 所以本文中主要是指此类钢材 。
本文总结 了目 前国 外的 试 验结 果 , 对 其 进行 了 分析计算 , 并与我国规 范进行 了对比 , 为 高强度 钢材 钢柱在我国的应用提供了设计和计算参考建议 。
1 残余应力
对于高强 度钢 材 , 目 前 世界 上尚 没有 热 轧型 钢
试验测量得到的名义强度 690MPa钢材 (真实值 660MPa)、翼缘为焰切边的焊接 I形截 面的残 余应力 分布如图 4所示 [ 1] 。翼缘 和腹板 的残余 压应力 平均 值分别约为 135MPa和 32MPa, 即 0.205 fy和 0.048fy, 明显小于我国规范取值 。
表 1 焊接箱形截面钢柱尺寸及钢材屈服强度 Table1 Dimensionsandsteelyieldstrengthof
关于高强度钢材 , 国 内外尚 没有统 一 、明确 的定
图 1 德国柏林索尼中心大楼 Fig.1 SonyCentreinBerlin, Germany
图 2 澳大利亚悉尼星城饭店 Fig.2 StarCityinSydney, Australia
义 , 针对我国钢结构设 计规范 , 通常 是指屈 服强 度 fy >420MPa的钢 材 。由 于目 前 国外 已 有的 相 关试 验
b/mm B/mm D/mm t/mm L/mm fy /MPa
88.8 —
— 4.95 400 705
—
151 127.0 6.01 501 741
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151 93.5 5.98 500 741
88.9 —
— 5.00 1149 705
87.6 —
— 4.95 1150 705
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151 127.0 6.00 1880 741
weldedboxsectioncolumns
试件编号
BSC[ 1] S-10-22[ 9] R-10-22[ 9] B1150C[ 1] B1150E[ 1] S-35-22[ 9] B1950C[ 1] B1950E[ 1] S-50-22[ 9] R-50-22[ 9] R-65-22[ 9] B3450C[ 1] B3450E[ 1]