冷弯薄壁型钢构件滞回性能研究综述

冷弯薄壁型钢构件滞回性能研究综述

马晓东程大业

沈阳建筑大学土木工程学院沈阳110168

摘要：本文对冷弯薄壁型钢构件滞回性能的研究进行了较全面的综述,总结了关于冷弯薄壁型钢构件滞回性能的试验和理论研究成果。在此基础上，对冷弯薄壁型钢构件研究工作尚需解决的问题进行了归纳和总结。

关键词：冷弯薄壁型钢；滞回性能；屈曲性能；V形加劲

1引言

冷弯薄壁型钢被广泛地应用于轻钢结构建筑中，是产业化钢结构的一个重要应用方面。冷弯薄壁型钢构件与其组合薄壁构件是轻型钢框架结构体系经常采用的构件形式,这些类型构件的采用也正是钢框架结构得以轻型化的主要原因之一。有关冷弯薄壁型钢构件滞回性能研究的截面形式主要包括C形、矩形、圆管形这几种截面形式。由于这些薄壁构件的板厚小、宽厚比大,因此其各方面性能与普通钢构件相比均有较大差异。冷弯薄壁型钢构件易发生局部屈曲且有较高屈曲后强度可以利用，正确认识其滞回性能是进行轻型钢框架结构体系设计与应用的一个重要基础,也是推动轻钢结构发展和推广的重要方面。本文将对这些冷弯薄壁型钢构件滞回性能研究成果进行一定的综述分析，最后归纳一些尚需研究与解决的问题。

2冷弯薄壁型钢构件拉压滞回性能研究

冷弯薄壁型钢在循环荷载作用下的屈曲行为与滞回性能表现等研究相对较少。董永涛和张耀春(1994)[1]根据板壳非线性有限元的基本理论,建立了分析板壳非线性问题的曲壳有限元法,对板件在单轴往复荷载作用下的全过程变形行为特性进行了计算分析。

王世奇(2005)[2]采用有限元方法对冷成型薄壁钢C型构件在轴向拉压循环荷载作用下的滞回性能进行数值模拟。文章分别建立了槽钢和C型钢以及中间加劲型钢等不同截面形式的冷成型薄壁钢构件的有限元模型。通过构件耗能比和单位体积耗能以及强度和延性等参数分析,研究了卷边和不同中间加劲形式对冷成型钢构件拉压滞回性能的影响规律。研究发现局部屈曲的产生使得试件不断地产生损伤积累，对刚度以及受压强度乃至滞回性能都有极大的削弱。模拟结果表明,通过设置腹板V形加劲的方式，可以改善试件的拉压滞回性能。

J.M.Goggins(2006)[3]对冷弯薄壁矩形及方形钢管截面在单调和轴向往复荷载作用下的性能进行了试验研究，得出了构件的强度和刚度退化程度与其长细比有关。

3冷弯薄壁型钢构件压弯滞回性能研究

YoshiakiGoto(2005)[4]运用有限元方法对薄壁圆钢柱的压弯滞回性能进行了研究，同时提出了考虑钢材弹性范围的降低、屈服平台和应变循环强化影响的三面循环金属塑性模型。

陆曦(2006)[5]运用有限元软件ABAQUS，对冷弯薄壁型钢构件在常轴力和循环弯矩共同作用下的滞回性能进行数值模拟,比较了具有相同宽厚比的普通C型钢和有加劲C型钢的压弯滞回性能。研究表明，在总宽厚比相同的情况下，具有中间加劲的C型钢构件的滞回性能远好于无加劲C型钢构件；加劲虽然对冷成型C型钢构件滞回性能的提高有很大的帮助，但随着构件总宽厚比和轴压比的增大，构件的滞回曲线仍然逐渐捏缩，耗能能力降低。根据模拟结果，设置宽厚比较大的加劲较好，并且在几何条件允许的情况下，优先在构件中部设置加劲。

孟庆铜(2011)[6]对冷弯薄壁型钢矩形构件在低周往复荷载作用下滞回性能进行了试验研究。研究表明,构件长细比和腹板宽厚比对滞回性能具有显著的影响。随着轴压比的增大，构件更容易发生局部失稳，二阶效应趋于严重，构件的滞回曲线饱满程度变差，耗能能力减弱，抗侧刚度减小，延性也降低。

彭雄(2013)[7]对冷弯薄壁C型构件在静力和循环荷载作用下的滞回性能进行了试验研究与数值模拟，得到了冷弯薄壁型钢压弯构件的破坏机理，其屈曲特点、能量耗散特性以及延性等有了较为清楚的体现。

冷弯薄壁型钢型构件在水平循环荷载作用下，其破坏形式一般是底端卷边、翼缘以及腹板两侧发生破坏使得整根构件迅速失去承载力。由于薄壁型钢其承载力很大一部分来源于板件薄膜效应所产生的张拉应力，板组间存在相互作用力，这使得上述卷边、翼缘、腹板等板件的屈曲破坏过程不是相互独立的，而是紧密联系、相互影响的。构件过早地出现局部屈曲并产生集中性的理想塑性是冷弯薄壁型钢型构件在压弯循环荷载作用下破坏的根本原因。

滞回曲线在弹性阶段能量耗散为零，进入弹塑性阶段后，包络面积逐渐增大，并且当荷载卸载至零时，残余塑性变形也增大。整个加载过程中，所有构件在进入塑性后很快达到峰值，紧接着刚度和强度迅速退化，表现出较差的延性。

文章还对背靠式组合构件的滞回性能做了试验研究,结果表明,由于腹板的加强，其局部屈曲不易发生。循环荷载作用下的背靠式构件，由于腹板得到约束，局部屈曲行为得到限制，构件的滞回性能得到一定程度的改善。

4冷弯薄壁型钢构件滞回性能尚待研究的问题

目前对于冷成型钢的研究主要还是集中在静力荷载作用下构件的性能，对构件动力性能研究还相对较少,在今后的工作中还有以下几个方面需要进一步的研究．

(1)其它截面形式如环型、帽型、Z型等截面形式的构件还有待于进一步研究。

(2)在板件中部施加V型加劲肋,这对构件的力学性能的提高较为显著,这一方面也有待进一步深入研究.

5结语

本文介绍了冷弯薄壁型钢构件的特点,总结了国内外对冷弯薄壁型钢构件滞回性能的试验和理论研究成果,最后对尚待研究解决的问题进行了探讨.冷弯薄壁型钢构件已广泛的应用于轻钢结构建筑中,对这类构件滞回性能和抗震性能的研究具有重要的工程意义．

参考文献

[1]董永涛，张耀春.板件在单轴往复荷载作用下非线性屈曲分析的有限元法[J].哈尔滨建筑工程学院学报.1994,1.

[2]王士奇.冷成型薄壁钢构件拉压滞回性能数值分析[D].南京:南京工业大学.2005.5.

[3]GogginsJ.M.,Broderick,B.M.,ElghazouliA.Y.,LucasA.S.Behaviouroftubularsteelmembersundercyclicaxialloading[J].JournalofConstructionalSteelResearch.2006.62:1~2.

[4]YoshiakiGoto,QingyunWangandMakotoObata.FEMAnalysisForHystereticBehaviorofThin-WalledColumns[J].JournalofStructuralEngineering.1998.124:1290-1301.

[5]陆曦.冷成型薄壁c型钢压弯试件滞回性能研究[D].南京:南京工业大学.2006.

[6]孟庆桐.冷弯薄壁型钢矩形截面滞回性能研究[D].北京交通大学硕士学位论文.2010.

[7]冷弯薄壁型钢矩形截面构件稳定性能研究[J].仲亚囡.北京交通大学.2012(10)

[8]冷弯薄壁C型构件屈曲滞回机理与简化设计方法研究[J].彭雄.北京交通大学.2013(01)