组合工字钢结构钢梁受力性能试验研究与分析

任轶蕾,石鑫朔,任小强,孟蕾,王森林

组合工字钢结构钢梁受力性能试验研究与分析

任轶蕾1,2,石鑫朔1*,任小强1,2,孟蕾1,王森林1,2

1. 河北农业大学土木工程系, 河北 保定 071000 2. 河北农业大学工程结构实验室, 河北 保定 071000

为解决轻钢结构螺栓连接节点现场施工较难定位安装的问题，本文对自攻螺钉连接的组合工字钢钢梁进行了受力性能试验，研究了不同自攻螺钉间距对钢梁极限承载力和挠度变形的影响，分析了组合工字钢在实际设计过程中的抗弯刚度等效系数问题，并采用ABAQUS有限元分析软件对试验过程进行了数值模拟分析，分析结果验证了试验的有效性。研究结果表明，自攻螺钉间距对组合工字钢结构钢梁的极限承载力影响不大，而对挠度变形有一定影响，自攻螺钉呈现剪切破坏。

钢结构梁; 受力性能; 试验与分析

随着我国乡村振兴计划的实施，在美丽乡村建设过程中，农村低层轻钢结构装配式住宅得到了更为广泛的应用[1]。低层轻钢结构住宅相对于多高层钢结构住宅发展较为成熟，产业化程度较高[2,3]。

轻钢结构住宅体系梁柱构件多选用H型钢、方钢管等截面形式，梁柱连接节点常采用螺栓连接[4]。螺栓连接节点形式对螺栓孔定位精度要求较高，由于施工中存在累计安装误差，螺栓连接节点在钢构件安装时会有较大难度。张长彬提出一种T型钢通过自攻螺钉连接的组合工字钢结构形式[5]，自攻螺钉安装简单快捷，可有效提高钢结构的施工进度。康子恒对T型钢连接的组合工字钢结构的梁柱节点进行了试验研究，并建立了节点的弯矩-转角数学表达式，但未考虑组合工字钢构件的力学性能[6]。

如图1所示，组合工字钢结构是两个截面大小不同的T型钢通过自攻螺钉快装而成，其中小T型钢翼缘和内嵌墙板中的钢龙骨在工厂焊接成整体墙板，小T型钢和大T型钢在施工现场通过自攻螺钉连接组成组合工字钢柱。

图 1 组合工字钢

T型钢连接的组合工字钢结构截面虽然同工字钢、H型钢类似，但组合工字钢腹板厚度不一，力学性质较为复杂。为研究组合工字钢结构的受力性能，本文对组合工字钢梁构件进行了静力试验研究，采用有限元方法对试验进行了数值模拟，分析结果可用于实际设计施工使用。

1 试验概况

1.1 试件设计

为研究自攻螺钉间距对组合工字钢结构受力性能的影响，本次试验共设计3个试件。T型钢由热轧焊接型钢切割形成，大T型钢截面尺寸为149×149×5.5×8（mm），小T型钢截面尺寸为120×70×4.75×4.75（mm），自攻螺钉选用直径为8 mm的SWCH22A反滑齿钻尾丝，自攻螺钉间距分别为300 mm、400 mm和500 mm，试件参数如表1所示。

表 1 试件参数

表注：ZHZ表示组合工字钢钢梁，300表示自攻螺钉间距为300 mm，其余类同。

表Note: ZHZ stands for composite I-steel beam, 300 stands for self-tapping screw spacing of 300 mm, and the rest are similar.

1.2 材料性能

T型钢材质为Q345B钢材，自攻螺钉为SWCH22A反滑齿钻尾丝。材性试验符合《金属材料拉伸试验方法》GB/T228.1-2010和《金属材料线材和铆钉剪切试验方法》GB/T 6400-2007标准，自攻螺钉和钢材的主要力学性能指标见表2。

表 2 材料性能

1.3 加载装置

试验在河北农业大学工程结构实验室进行。试验加载装置有反力架、30 t液压千斤顶、DH3816静态应变测试系统、ZS1240-Y30压力传感器、ZS-1100一维位移传感器等。

组合工字钢钢梁搁置在刀口铰上，刀口铰通过螺栓与反力架钢梁固定。利用液压千斤顶在钢梁跨中位置对试件进行竖向加载，加载装置如图2所示。

图 2 加载装置

为了观测钢梁挠度变化，在组合工字钢梁跨中上翼缘布置一个竖向位移计，在钢梁下翼缘四分点位置中间三点处各布置三个竖向位移计。在小T型钢腹板自攻螺钉孔上部附近布置应变片。

1.4 加载制度

为检验试验设备是否可靠，保证试件各部分接触良好并能进入正常工作状态，在试验开始前首先对组合工字钢钢梁进行预加载处理，预加荷载值为预估极限荷载的20%。

正式加载采用分级加载方式，每级持荷时间为2 min，待试件趋于稳定时观察试验现象并记录试验数据。

加载方式分为力控制加载和位移控制加载两阶段。自加载开始至预估极限承载力80%时，每级荷载取预估极限荷载的5%；然后为位移加载，位移增量为2 mm，直到试件破坏，试验结束。

2 试验现象

试件ZHZ-300在初始加载阶段受力性能较好，未见异常现象。随着荷载不断增加，钢梁跨中挠度逐渐增大，跨中自攻螺钉出现倾斜现象。当加载至40 kN左右时，上部小T型钢挠度相对于下部大T型钢挠度变形较大，腹板出现错位现象，跨中自攻螺钉向上倾斜，而两侧自攻螺钉则向下倾斜。当加载至67 kN时试件时，试件出现异响，跨中自攻螺钉剪断，试验结束。这是由于简支梁在跨中集中荷载作用下，跨中位置剪力突变，自攻螺钉剪切破坏。试件ZHZ-300试验结果如图3所示。

图 3 试件ZHZ-300

试件ZHZ-400的试验结果如图4所示，试件ZHZ-400和试件ZHZ-500试验现象与结果类似。在初始加载阶段受力性能较好，未见异常现象。随着荷载不断增加，钢梁跨中挠度逐渐增大，自攻螺钉出现倾斜现象，试件两侧自攻螺钉倾斜现象稍明显。当荷载分别加至66 kN和63 kN时，试件发出异响，此时两组试件最外侧自攻螺钉分别出现剪切破坏现象，试验结束。ZHZ-400和试件ZHZ-500中自攻螺钉数目为4个，跨中位置没有布置自攻螺钉，试件最外侧两端处螺钉位于支座上方，此处自攻螺钉剪切破坏。

图 4 试件ZHZ-400

3 结果与分析

试件的极限荷载和挠度试验结果如表3所示。从表中可看出，随着自攻螺钉间距的增加，极限破坏荷载随之减小，而跨中挠度随之增大。自攻螺钉间距对组合工字钢钢梁的极限承载力影响不大，对跨中挠度有一定影响。

表 3 试验结果

试件的荷载－位移曲线如图5所示，从图中可看出，三个试件荷载位移曲线变化规律基本相同。试件从初始加载至临界破坏阶段，荷载位移曲线均为线性比例关系，而且自攻螺钉间距影响较小。当荷载临近试件的极限承载力时，荷载位移曲线曲线呈入非线性关系。

图 5 荷载－位移曲线

4 组合工字钢截面性质分析

组合工字钢腹板厚度不一，给实际设计应用带来一定难度。由于组合工字钢外形同H型钢类似，可采用修正H型钢抗弯刚度系数的方法进行截面设计。利用简支梁在跨中集中荷载作用下挠度计算公式，根据挠度相等原则可计算得到得到组合工字钢抗弯刚度修正系数。

抗弯刚度修正系数计算结果如表4所示，从表中可看出，组合工字钢的等效抗弯刚度为相同截面尺寸的H型钢抗弯刚度的50%左右。随着自攻螺钉间距的增大，组合工字钢的等效抗弯刚度修正系数减小，自攻螺钉间距对组合工字钢的等效弯曲刚度影响较为明显。

表 4 抗弯刚度修正系数

5 有限元分析

5.1 分析模型

采用ABAQUS有限元分析软件对组合工字钢钢梁试件进行建模，分析单元均选用C3D20R单元，模型材料参数见表2。考虑材料非线性问题，组合工字钢的本构关系曲线采用含屈服台阶的多段线模型。同时考虑接触非线性，模型中自攻螺钉和螺孔、大小T型钢腹板间均定义为面接触。有限元分析模型的边界条件及荷载同试验一致。

5.2 应力分析结果

图6为试件ZHZ-300承受极限承载力时的应力云图。从图中可看出，组合工字钢钢梁支座处和自攻螺钉附近出现了应力集中现象，钢梁跨中自攻螺钉周围应力集中现象较为明显，最大应力出现在跨中自攻螺钉螺杆处，且呈剪切破坏现象。自攻螺钉的Von Mises等效应力最大值为1516 MPa，超过了自攻螺钉抗剪强度。有限元分析结果同试验结果相符。

图 6 ZHZ-300应力云图

试件ZHZ-400和ZHZ-500的有限元分析结果相似，ZHZ-400承受极限承载力时的应力云图如图7所示，由于跨中位置没有布置自攻螺钉，钢梁两端螺钉位置应力集中现象较为明显。最大应力出现在钢梁两端自攻螺钉螺杆处，且呈剪切破坏现象。自攻螺钉的Von Mises等效应力最大值为1 272 MPa，超过了自攻螺钉抗剪强度。有限元分析结果同试验结果相符。

图 7 ZHZ-500应力云图

三个试件跨中荷载－位移曲线有限元分析结果如图8所示，有限元分析结果中荷载－位移曲线的变化趋势同试验结果相似，但有限元分析结果中初始斜率和极限承载力均高于试验值。这是因为材料属性在实际中并不是完全理想状态，而且在试件安装过程中存在安装误差。

（a）ZHZ-300（b）ZHZ-400（c）ZHZ-500

6 结 论

（1）组合工字钢钢梁受力试验结果表明，T型钢受力性能良好，自攻螺钉呈剪切破坏。跨中布置自攻螺钉，则跨中自攻螺钉剪切破坏，跨中不布置自攻螺钉，则钢梁支座处自攻螺钉呈剪切破坏；

（2）随着自攻螺钉间距的增加，极限破坏荷载随之减小，而跨中挠度随之增大。自攻螺钉间距对组合工字钢钢梁的极限承载力影响不大，对跨中挠度有一定影响；

（3）组合工字钢的等效抗弯刚度为相同截面尺寸的H型钢抗弯刚度的50%左右。随着自攻螺钉间距的增大，组合工字钢的等效抗弯刚度修正系数减小，自攻螺钉间距对组合工字钢的等效弯曲刚度影响较为明显。

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Experimental Study and Analysis on Mechanical Properties of Composite I-steel Beam

REN Yi-lei1,2, SHI Xin-shuo1*, REN Xiao-qiang1,2, MENG Lei1, WANG Sen-lin1,2

1.071000,2.071000,

To solve the problems thatthe steel structure housing system meets the requirements of environmental protection and sustainable development. Light steel structure has more advantages, such as low weight, simple structure, fast construction speed, and more importantly, low price. As an environment-friendly product, it has been widely used in infrastructure construction. In this paper, the material mechanical properties of combined I-beams are obtained through static test on beams and columns of combined I-beams made of T-section steel connected by tapping screws, providing experimental and theoretical basis for the research of combined I-beam light housing systems. In the experiment, the ABAQUS, a finite element analysis software, was used to simulate its force performance to verify the validity of the model, and then perform parameter analysis on this basis. In this experiment, domestic and foreign light steel structure research results, practical engineering applications, and various patents have been fully referenced, and the basic materials have been selected reasonably to test the beam-column specimens connected by tapping screws and the single frame system. Through data analysis, the load-displacement curve and the failure mechanism of the component is clarified and the influence of various factors on the performance of the test piece is comprehensively analyzed. Then the design method of the light housing systems connected with combined I-beam made of tapping screws and corresponding technical regulations is determined, thus promoting the development of prefabricated light steel structure housing.

Steel structure beam; force performance; experment and analysis

TU392.5/TU323.3

A

1000-2324(2022)02-0320-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.021

2021-11-01

2021-12-27

河北省自然科学基金项目(E2020204031)

任轶蕾(1967-),女,硕士,副教授,主要从事建筑结构工作. E-mail:ryl_111@126.com

Author for correspondence. E-mail:sxsyx2022@163.com