近年来,冷弯方钢管因其良好的受力性能,环保节能及防腐效果好等优点,在建筑钢结构中得到了大量应用[1-2].随着冷成型技术的发展,冷弯方钢管实现了壁厚大于6 mm,甚至到20 mm的突破[3],拓宽了其应用范围.
计算冷弯方钢管的极限承载力时,欧洲规范(EC3)[4-5] 对钢结构的设计以截面分类为基础,根据局部屈曲对截面承载性能的影响程度将截面分为4类,分别对应着不同的设计准则,如图1所示.其中class1和class2类截面钢构件可以达到全截面塑性弯矩; class3类截面不能达到全截面塑性弯矩,但可超过边缘屈服弯矩; class4类截面由于局部屈曲的较早发生,极限承载力小于边缘屈服弯矩.对于class1和class2类截面,规范按全截面塑性计算其极限承载力,未考虑材料的强化作用; 对于class3类截面按弹性设计方法计算,未考虑其有限塑性发展,导致class2类截面和class3类截面承载力的不连续; 对于class4类截面采用有效弹性宽度法进行计算,但其计算过程较为繁琐,不利于实际操作.
采用中国规范[6-7] 计算冷弯方钢管的极限承载力时,其中《钢结构设计标准》(GB50017)[6] 采用与EC3类似的截面分类和设计方法,将截面分为S1～S5级(图1),因此设计方法与EC3存在相同的问题,且均未考虑冷弯效应.《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018)[7] 对宽厚比较大的构件采用有效弹性宽度法进行计算,只对全截面有效的构件考虑冷弯效应.但GB50018[7] 对壁厚小于2 mm以及大于6 mm构件的设计暂无明确规定,因此有必要对各种厚度冷弯方钢管的极限承载力进行研究.
姚行友等[8] 对壁厚小于2 mm的冷弯方矩钢管开展了轴压试验,结果表明GB50018[7] 可用于该类构件的设计,但结果偏于保守.而部分学者[9-12] 对壁厚大于6 mm的冷弯厚壁方矩钢管进行的轴压试验结果表明,GB50018[7] 是否适用于该类构件的承载力设计尚存争议.据此,侯刚等[1] 、童乐为等[2] 以及沈祖炎等[13] 分别提出了适用于冷弯厚壁方矩钢管的考虑冷弯效应的屈服强度设计公式.此外,Gardner和Yun[14] 对包括冷弯薄壁和厚壁的方矩形、圆形、C形等截面的材性试验进行了汇总和分析,总结出了适用于不同厚度和截面类型的冷弯型钢材性模型.
为了解决有效弹性宽度法计算繁琐的问题,Shafer等[15] 基于截面宽厚比提出了计算冷弯薄壁型钢承载力的“直接强度法”,该方法直接采用全截面特征,考虑了多种屈曲形式下的荷载,已被列入GB50018[7] 中.王春刚等[16] 、何帆等[17] 通过试验结果比较表明直接强度法比有效宽度法计算得更为准确和简便.Yun和Gardner[18] 为了考虑class1和class2类截面材料的强化作用提出了“连续强度法”(CSM)用以计算冷弯厚壁箱形截面的极限承载力.邓家明等[19] 将CSM的应用范围扩展到了冷弯薄壁箱形截面.Nseir[20] 根据局部屈曲和承载力的相互作用提出了“整体相互作用法”(OIC).该方法可以计算包括冷弯方形、焊接方形、圆形等截面的极限承载力,不依赖于截面分类,较为明确简便.以上研究仅对冷弯厚壁方形截面或者薄壁截面进行分析,但对同时涉及薄壁和厚壁截面的承载力研究较少.
笔者[21] 提出了“有效塑性宽度法”(EPM)以计算考虑局部失稳的H形截面极限抗弯承载力.该方法基于极限状态时的截面应力分布特点,假定有效截面能够全部发展塑性,不受截面分类限制,具有良好的适用性.因此可从截面应力分布特点出发,突破壁厚限制,将EPM的应用范围扩展到不同厚度的冷弯方形截面.
本文建立了考虑几何和材料非线性的Abaqus有限元模型,对冷弯箱形截面在轴压和压弯作用下的极限承载力进行研究,提出了用于计算极限承载力的有效塑性宽度法.
图1 规范设计方法
Fig.1 Code for design method
![图6 Gardner和Yun[14] 材料模型<br/>Fig.6 Material model in Gardner and Yun[14]](2021年03期/pic166.jpg)
