基于开孔钢板拉伸试验研究

王晓璇

摘要：在钢结构中，钢板开孔现象不可避免，但开孔后很可能对钢板力学性能产生较大影响。本文针对特定尺寸开孔钢板展开拉伸试验，分析开孔数量、大小、距离对钢板力学性能产生的影响。试验结果显示，钢板开孔的直径越大承载力的削弱度越强;开孔距离与承载力的关系不大;开孔数量与承载力呈正比例关系。

关键词：开孔钢板;拉伸试验;力学性能

引言：

钢构件在使用过程中，需要根据使用需求在连接处等位置开孔，开孔处由于截面变小，导致孔口周围的应力集中，进而降低了试件的疲劳性与静力，可见对此类钢板进行加固设计显得十分必要。在本文的研究中，主要对钢板开孔后孔洞数量、孔径、孔洞间距进行拉伸试验，以此得出开孔对钢板力学性能的影响。

1.试验过程

1.1试件准备

本次试验采用的试件为矩形钢板，尺寸为200mm×100mm，开孔数量为一个和两个，开孔数量为一的钢板，孔的中心与钢板中心相同;开孔数量为二的钢板，两孔沿着中线对称分布，孔径数量用d表示，间距为m，试验中共计使用12个试件，钢材等级为Q235级。在对钢板实施拉伸试验之前，在钢板长边的左右分别预留70mm的距离便于试件夹持。

1.2数据采集

将准备好的钢板放置在拉伸机中开展试验，钢板两侧分别用试验机固定，将应变片放置在开孔处与应力承载较大的位置，对应力变化数据进行采集，并以此为依据对钢材的屈服程度进行判断，使用位移计对钢板拉伸长度进行计算。在整个拉伸过程中，钢板出现明显的紧缩或者发生损坏后停止加载[1]。

2.试验结果

2.1孔径大小

针对开孔直径不同的钢板进行拉伸时，当钢板受到破坏时产生的荷载便属于钢板抗拉承载力;对于不同孔径的钢板来说，抗拉承载力越低，钢板的力学性能将随之减小。在对两个开孔大小不同的钢板进行拉伸试验后，所得的钢板破坏荷载为：当钢板直径为20mm时，试件的抗拉承载力为500kN;当钢板直径为30mm时，试件的抗拉承载力为420kN;当钢板直径为40mm时，试件的抗拉承载力为380kN;当钢板直径为50mm时，试件的抗拉承载力为310kN;当钢板直径为60mm时，试件的抗拉承载力为220kN。由此可见，当钢板开孔的直径越大时，抗拉承载力反而随之降低。

2.2开孔距离

在对两个开孔距离不同的钢板进行拉伸试验后，所得的钢板破坏荷载为：当两个开孔的间距为40mm时，抗拉承载力为420kN;当两个开孔的间距为60mm时，抗拉承载力为418kN;当两个开孔的间距为80mm时，抗拉承载力为422kN;当两个开孔的间距为100mm时，抗拉承载力为422kN;当两个开孔的间距为120mm时，抗拉承载力为419kN。由此可见，随着两个开孔距离的不断增加，试件的抗拉承载力几乎保持不变。

2.3开孔数量

当开孔面积相等的条件下，对两个钢板试件进行开孔处理，其中一个设置直径为40mm的孔，另一个设置两个直径为28mm的孔，两孔的距离一个为40mm，另一个为80mm;针对该试件进行拉伸试验，从试验结果可知，开一个孔洞的试件抗拉承载力为364kN，开两个孔洞的试件的承载力为442kN与436kN。由此可见，当开孔面积相同时，开孔数量与试件抗拉承载力上呈现出正相关关系，即当开孔数量越多时，试件的承载力也就越强[2]。

3.试验因素分析

3.1开孔对钢板力学性能的影响

应力集中数据手册中规定，针对不同类型的钢板宽度、开孔直径、厚度，开孔两端的集中系数一般超过2。为了对开孔对钢板承载力的影响程度进行分析，可采用试件最大承载力与未开孔钢板最大承载力相除的方式计算承载力系数。同时，计算钢板截面面积与未开孔钢板截面的比值关系。试验中编号为S3与S6的试件，其承载力系数分别为0.65与0.8，而正常情况的承载力系数为0.6.计算结果与0.6相比较大，因此，即便钢板中由于开孔促使应力集中，但在较大荷载的作用下，名义应力却并非随之降低，产生这一现象的主要原因在于，当钢板开孔后，局部应力逐渐向中间汇集发生屈服作用，孔口的塑性区域逐渐拓宽，拉伸荷载也随之增加。从本次试验中可知，可以试件的截面面积为依据，对钢板的最大抗拉承载力与开孔情况进行分析，如若在未开孔钢板承载力已知的情况下，便可以对开孔后钢板的最小抗拉承载力进行保守预测。

3.2钢板厚度的影响

利用CFRP对钢板进行加固后，其承载力将明显提升，最大限度的减少位移，但对于不同厚度的钢板来说，加固作用的有效性存在区别，主要是由于钢板刚度与CFRP存在差别，当对开孔直径为3mm的钢板进行加固时，如若采用1層CFRP进行加固，与未加固相比试件的荷载提高31%;如若采用2层CFRP加固，则试件荷载提高51%;当对开孔直径为6mm的钢板进行加固时，采用1层CFRP进行加固，与未加固相比试件的荷载提高18%;如若采用2层CFRP加固，则试件荷载提高24%。由此可见，在加固层数相同的情况下，3mm直径钢板的荷载效果提升最为明显，这主要因为3mm开孔钢板的抗拉强度、弹性模量较大，故而与6mm直径钢板相比承载力的提升效果更加明显。

结论：

综上所述，本文以开孔钢板为研究对象进行拉伸试验，针对孔径大小、间距、数量对试件抗拉承载力产生的影响进行分析。从试验结果中得出，当钢板开孔的直径越大时，对其承载力的削弱度越强;在两个开孔距离不断增加的情况下，试件的抗拉承载力几乎保持不变;当开孔数量越多时，试件的承载力也就越强。

参考文献：

[1]姜丰，史亚龙，王清远.CFRP加固开孔钢板的静力力学性能研究[J].四川理工学院学报（自科版），2018，31（2）：43-49.

[2]杨清梅，周健鸿.基于拉伸试验的锈蚀钢板力学性能研究[J]. 低温建筑技术，2016，38（5）：12-15.