Q345冷弯薄壁卷边槽钢柱承载力计算方法

刘昕露+金梦飞+任晓康+孙德发

摘 要：在分析比较有效宽度法（EWM）和直接强度法（DSM）的基础上，针对Q345冷弯薄壁卷边槽钢柱的极限承载力进行了较深入的探讨和对比分析。计算与试验结果表明：按冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）计算槽钢柱是可行的。

关键词：冷弯薄壁型钢  卷边槽钢  轴压柱  有效宽度法  直接强度法  稳定承载力

中图分类号：TU392.1    文献标识码：A  文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0056-02

冷弯薄壁型钢作为一种高效、经济、环保型建筑材料，具有截面形状合理、力学性能良好、钢材利用率高等特点，随着我国钢产量的不断增加，以及国家对于钢结构住宅产业的大力扶持，冷弯薄壁型钢住宅体系在国内蓬勃的发展，在建筑行业尤其是轻钢房屋建设中得到日益广泛的应用。冷弯薄壁卷边槽钢是冷弯薄壁型钢住宅中的常用构件之一，由于受初始缺陷、长细比、材料特性等诸多因素影响，使得冷弯薄壁卷边槽钢受压构件的极限承载力理论计算比较复杂，国内外学者主要采用试验和有限元方法对其进行研究[1-3]，但也提出了许多简化的实用设计方法。简化设计方法中，有效宽度法应用最普遍，己成为各国设计规范的基础[4]。近年来，美国Schafer和Pekoz[5]提出了直接强度法，与有效宽度法相比，直接强度法是全截面采用有效应力设计板件，且考虑板件局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲相关影响。目前，该方法已经被大量的试验数据所证实，并已被列入北美规范NAS 2004[6]中，大有取代有效宽度法的趋势[7]。但直接强度法需要依赖有限条或有限元程序计算构件全截面的局部屈曲和畸变屈曲临界应力，尚无简单的解析方法，导致了计算上的不方便。本文将在试验的基础上，结合有效宽度法和直接强度法，对两端简支冷弯薄壁卷边槽钢柱极限承载力分别采用我国规范冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）、欧洲规范Eurocode3（EN 1993-1-3）和北美规范（AISI S100-2007）附录中的直接强度法进行计算与分析，以检验我国规范的适用性。

1 试验概况

试件材料为Q345，截面外轮廓尺寸为C89×42×13×0.8（中线尺寸为C88.2×41.2×12.6×0.8），长为1000 mm，每组测试三个试件。试验采用液压试验机，试件直接置于试验机上下两端板之间，基本满足两端约束条件，试件加载装置和试件布置示意见图1。试件承载力平均值为22.06 kN。理论计算取=345 N/mm2，=300 N/mm2，=206000 N/mm2。

2 有效宽度法

2.1 中国规范（GB50018-2002）的规定[8]

当≤          （1）

当  （2）

当≥        （3）

计算系数，压应力分布不均匀系数，板件受压区宽度，。

腹板：    （4）

翼缘： （5）

受压板件的板组约束系数：

≤            （6）

>   （7）

（8）

轴心受压构件的稳定承载力：

（9）

当考虑板组约束系数，翼缘k1=0.971，腹板k1=1.029，其有效截面面积为86.35 mm2，计算承载力为16.391 kN;当不考虑板组约束系数，翼缘k1=1.0，腹板k1=1.0，其有效截面面积为86.33 mm2，计算承载力为16.388 kN。

2.2 Eurocode 3（EN 1993-1-3）的规定[9]

考虑卷边加劲区域刚度影响，采用截面中线尺寸，截面有效宽度按下式计算：

（10）

对于卷边槽钢腹板和翼缘，

≤       （11）

对于槽钢卷边，≤（12）

（13）

式中：为屈服强度;为板件局部屈曲时的临界应力;为板厚（不包括涂层）;为板件屈曲系数;。

经计算，其有效截面面积为81.84 mm2，计算承载力为18.943 kN。

3 直接强度法

3.1 美国规范AISI S100-2007的规定[10]

整体屈曲承载力按下式计算：

当≤时，  （14）

当时，  （15）

式中：;;为构件弹性整体屈曲荷载（取弹性弯曲屈曲、扭转屈曲或弯扭屈曲荷载中的较小值）。

局部屈曲承载力按下式计算：

当≤时，       （16）

当时，

（17）

式中：;为弹性局部屈曲荷载。

畸变屈曲承载力按下式计算：

当≤时，         （18）

当时，

（19）

式中：;为弹性畸变屈曲荷载。

轴心受压构件的极限承载力按下式计算：        （20）

经计算，其极限承载力为17.73 kN。

4 计算结果分析

对于试件来说，有效宽度法和直接强度法所得的结果与试验结果的比值均小于1.0，它能够有效地预测冷弯薄壁卷边槽钢柱极限承载力。采用我国规范冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）、欧洲规范Eurocode3（EN 1993-1-3）、北美规范（AISI S100-2007）附录中的直接强度法与试验值对比见图2。endprint