至德鋼業不銹鋼方管抗壓折彎試驗要點及數據

  至德鋼業不銹鋼方管抗壓試驗中設計并制作8組試件，每組2個相同試件，共16個試件，具體見表。每個試件由一個節點體和兩根對稱布置的桿件組成。圖給出了試件主要幾何尺寸及構造，考慮對稱性僅圖示一側桿件。試件類似于水平簡支梁，對其進行四點彎曲試驗。桿件采用不銹鋼方管，其截面規格均為150mm×150mm×4mm，桿長1500 mm。各組試件主要考察螺栓直徑、桿件端板厚度、桿件端板距節點體距離及桿件開孔對節點性能的影響。A組為基本試件，采用M24螺栓，桿件端板厚25mm，端板距節點體4 mm; B組、C組試件用于分析螺栓直徑的影響，分別采用M20、M16螺栓; D組、E組試件用于分析桿件端板厚度的影響，端板厚分別取為20、16 mm; F組試件用于分析端板距節點體距離的影響，距離取為30 mm;G組、H組試件用于分析桿件開孔的影響，G組試件在桿件腹板開設80 mm×100 mm矩形孔，H組試件則在翼緣開設80 mm×70 mm矩形孔，開孔位置均靠近桿件端部，孔邊距桿端(不含端板)55 mm。

  桿件及節點體均采用304不銹鋼方管，每根桿件通過2個高強螺栓與節點體連接，螺栓規格M16～M24，強度等級為10.9s。為便于節點裝配，桿件端板上的光壁圓孔直徑比螺栓直徑大2mm。為提高節點的受彎能力，同一桿件上2個螺栓的間距取滿足構造要求的最大值。設計中考慮節點體為剛體，為此，節點體采用厚壁六邊棱柱筒，螺栓連接處的筒壁厚度為30mm，這不僅保證節點體的剛度，而且保證螺栓的連接強度。為便于試驗加載，桿件端部設置一塊厚度20mm的支座加載板。試件的裝配過程簡單、方便，借助常規扳手即可順利完成裝配，裝配完成后的部分試件見圖。圖為桿件不開孔的A組試件，桿件端板與節點體之間有一定距離。圖為翼緣開孔的H組試件，與圖所示節點的連接方式類似。G組、H組試件均利用桿件開孔安裝螺栓，桿件端板與節點體為頂緊狀態。

  對桿件不銹鋼方管進行了鋼材拉伸試驗。在桿件翼緣與腹板處各取3個試樣，實測應力-應變曲線見圖，其中代表取自鋼管翼緣的試樣，代表取自腹板試樣。由圖可見，兩組試樣抗拉強度相近，但翼緣處試樣的屈服強度大于腹板處試樣，且無明顯屈服平臺。其原因是該批矩形鋼管在加工成形過程中，翼緣處鋼板進行了類似冷拉處理。翼緣處3個試樣的屈服強度、抗拉強度、彈性模量的平均值。由于試件在加載時鋼管翼緣為主要受力區域，故后文有限元分析中材料本構直接采用翼緣處試樣的平均應力-應變關系。根據試驗結果，鋼材應變達到即進入屈服。

  四點彎曲試驗的加載裝置如圖7所示。加載時千斤頂通過一根分配梁對試件進行逐級加載，并通過力傳感器采集荷載的實時數據。分配梁支座間距為700 mm，試件在分配梁支座間為純彎段。每組試件在預加載后進行分級加載，加載過程中通過應變計實時數據監控試件應力發展情況。采用力控制加載，加載初期每級荷載增量為試件預估極限荷載的10%，待各項讀數穩定后進入下一級加載，當觀測到有應變測點進入屈服后，每級荷載增量為1 kN，當試件達到其極限荷載時，加載結束。為記錄試件在加載過程中的變形發展，在支座加載板、分配梁支座、桿件端板及節點中心處共布置了7個豎向位移傳感器，具體位置見圖。圖給出了節點一側桿件上的應變測點布置，另一側桿件的測點對稱布置?？拷濣c的純彎段為桿件的主要受力區域，在該區域桿件的上下翼緣和腹板兩側布置了12個應變測點，在遠離節點的桿件中部翼緣處布置了4個測點。

  彎矩-轉角曲線是評價節點受彎性能的重要指標，圖給出了各組不銹鋼方管試件的彎矩-轉角曲線，可見，各組兩個試件的試驗結果總體吻合良好，其中F組和H組兩個試件的結果偏差相對較大。這是由于試件在加載過程中由于意外使一顆螺栓的螺紋先行失效破壞，導致其承載力遠低于試件;另外，由于加工原因，試件的翼緣開孔面積小于按設計要求開孔的試件，導致其承載力略高。由圖可知，各不銹鋼方管試件的彎矩-轉角曲線呈現明顯的彈塑性特征。以A組試件為例，在加載初期，試件各部分均處于彈性階段，彎矩-轉角曲線接近直線。隨著荷載增加，桿件翼緣屈服，彎矩-轉角曲線斜率降低。加載結束時，除了處于中性軸附近的中心測點，桿件腹板上其余測點的應變均已超過0.0014，認為桿件已接近全截面屈服，達到其極限荷載。因此，該類裝配式節點在以桿件承載力控制的失效模式下，其受彎性能呈現明顯的彈塑性特征。