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锈蚀槽钢梁弯矩

   信息来源:时间:2019-11-20 05:18:47

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  锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系研究* 锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系研究*
武 萍 于 峰
(安徽工业大学建筑工程学院, 安徽马鞍山 243002)
摘 要:分析锈蚀槽钢的高度和跨度对其弯矩-曲率关系曲线的影响。研究结果表明:试件的弯矩-曲率关系曲线分为两个阶段:第1阶段为弯矩-曲率关系基本呈线性关系,锈蚀槽钢梁翼缘屈服时的应变为0.001 8左右;第2阶段为屈服强化段,锈蚀槽钢梁翼缘的极限应变取为0.01;在达到极限承载力时,试件发生整体受弯破坏。在试验研究基础上,提出锈蚀槽钢梁基于平均厚度和锈蚀率的弯矩-曲率关系的计算模型。该模型反映锈蚀槽钢弯矩-曲率关系的特点,模型计算值与试验结果吻合较好。
关键词:槽钢; 锈蚀; 承载力; 弯矩-曲率关系曲线; 计算方法
STUDY ON THE MOMENT-CURVATURE RELATIONSHIP OF CORROSIVE CHANNEL STEEL BEAMS Wu Ping Yu Feng
(School of Civil Engineering, Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China)
ABSTRACT:The effect of height and span on the moment-curvature relationship curves of corrosive channel steel beams were analyzed. The results showed that the moment-curvature relationship curves might be divided into two phases: the first phase took on linear relationship, the yielding strains of flange were about 0.001 8; and the second phase was the yielding and strengthening stage, the ultimate strains of flanges were about 0.01;the overall bending failure occurred under ultimate bearing capacity. According to the experimental study, a calculating method of moment-curvature relationship curves of corrosive channel steel beams were proposed based on the average thickness and corrosion degree. The proposed models could reflect the characteristics of corrosive channel steel beams, whose calculating results could agree well with the experimental data.
KEY WORDS:channel steel; corrosion; bearing capacity; moment-curvature relationship curves; calculating method
*安徽省教育厅自然科学基金资助项目(KJ2015ZD10,KJ2010A046);马鞍山科学技术项目(马科2012(6),2013(79))。
第一作者:武萍,女,1980年出生,硕士,讲师。
Email:yufeng207@126.com
随着建筑业的迅速发展,钢结构工程的数量和规模显着增加。目前,在钢结构力学性能研究方面取得丰硕成果[1-3]。但已有研究主要集中在钢结构设计理论和方法方面,而钢结构耐久性能损伤和退化机理研究很少。文献[4-5]对锈蚀钢结构的力学性能进行研究,结果表明,由于外界环境的侵蚀,锈蚀钢结构的性能指标发生显着变化。文献[6]开展了锈蚀程度对槽钢梁受弯性能影响的试验研究,给出其力学性能的退化规律,但没有提出锈蚀槽钢梁力学性能的相关计算模型。
因此,现有钢结构的设计计算理论不适用于锈蚀后钢结构相关性能的研究。本文开展5根均匀锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系的试验研究,分析影响其性能的主要因素,在此基础上,建立了锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系的计算模型,模型计算结果与试验结果吻合较好,为锈蚀钢结构安全性能评估提供科学依据。
1 弯矩-曲率关系曲线影响因素分析
图1和图2分别为试件高度和跨度对锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系的影响。从图1可以看出,对跨度相同的试件C1、C2、C3,试件弯矩-曲率关系可分为两个阶段:第1阶段试件的弯矩-曲率关系曲线基本呈线性关系;第2阶段为屈服强化段。随着试件截面高度增加,试件弯矩-曲率关系曲线的斜率逐渐增大。
从图2可以看出,对于相同高度锈蚀槽钢梁C3、C4,在整个加载过程中,弯矩-曲率曲线同样可以分为两个阶段:第1阶段为弹性段,弯矩-曲率关系曲线接近于直线,其斜率基本相同;第2阶段为屈服强化段,可以近似为直线。试件跨度越大,试件弯矩承载力和曲率就越大,而第2阶段的斜率则基本相同。对于C5试件,其弯矩-曲率关系曲线接近直线,无明显的屈服强化阶段,槽钢翼缘发生严重的屈曲破坏。
图1 试件高度影响
图2 试件跨度影响
2 弯矩-曲率关系曲线计算模型
2.1 基于锈蚀后厚度计算模型
研究结果表明,锈蚀后试件的截面尺寸对槽钢梁的弯矩-曲率关系影响较大,在第1阶段末,试件上下翼缘均发生屈服,屈服的应变约为0.001 8;在试件达到极限承载力时,其上下翼缘的极限应变约为0.01。通过对试验数据的回归分析,可得试件弯矩-曲率关系曲线中第1阶段斜率与锈蚀后槽钢惯性矩的关系,如图3所示,其表达式如式(1)所示。
(1)
图3 第1阶段斜率与惯性矩关系
图4 第1阶段斜率与第2阶段斜率关系
式中:K1为第1阶段刚度;Ir为锈蚀后按照槽钢梁的实际截面尺寸计算的惯性矩。
从式(1)可以看出,与未锈蚀槽钢梁抗弯刚度EI相比,锈蚀后钢材的弹性模量有一定程度的降低,降低幅度在10%左右。
锈蚀试件弯矩-曲率关系曲线中第1阶段与第2阶段的关系如图4所示。
通过对试验数据的回归分析,可得两阶段关系表达式为:
  +0.17K1
(2)
式中:K2为第2阶段刚度。
2.2 基于锈蚀率计算模型
通过对试验数据的回归分析,可得锈蚀槽钢梁的屈服承载力与极限承载力基本呈线性关系,如图5所示,其表达式为:
(3)
式中:Fyr为锈蚀槽钢梁屈服承载力;Fur为锈蚀槽钢梁极限承载力。
图5 屈服承载力与极限承载力关系
图6 锈蚀率对承载力影响
在试验研究基础上,通过对已有试验数据的回归分析,如图6所示,可得锈蚀试件的极限承载力Fur为:
(4)
式中:Fx为未锈蚀槽钢绕x轴的极限承载力计算
值,其表达式如式(5)所示;ρm为槽钢梁的质量锈蚀率,其表达式如式(6)所示。
(5)
式中:γx为绕x轴截面塑性发展系数;f为钢材的抗拉强度;Wx为按未锈蚀槽钢梁的净截面模量。
(6)
式中:me为试件锈蚀后质量;mt为试件未锈蚀的理论质量。
图7 锈蚀槽钢梁弯矩-曲率曲线试验值与计算值比较
图7为试件弯矩-曲率关系试验值与计算值的比较,从图7中可以看出,锈蚀槽钢梁弯矩-曲率关系曲线计算公式不但具有较高的计算精度,而且公式形式简单,便于工程应用。
3 结 论
1)锈蚀槽钢梁的弯矩-曲率关系可分为两阶段:第1阶段弯矩-曲率关系基本呈线性,试件上、下翼缘屈服时的应变约为0.001 8;第2阶段为屈服强化段,在试件达到极限承载力时,其上、下翼缘的极限应变约为0.01。
2)试件高度和跨度对锈蚀槽钢梁的弯矩-曲率关系曲线有较大的影响。对于跨度相同的试件,随着截面高度增加,试件的弯矩-曲率关系曲线的斜率逐渐增大。对于截面高度相同的试件,随着试件跨度增加,试件承载力和曲率逐渐增大,而弯矩-曲率关系曲线的斜率则基本保持不变。
3)在试验研究基础上,本文提出了槽钢梁基于锈蚀后厚度和锈蚀率的弯矩-曲率关系曲线计算模型。计算模型形式简单,且便于工程实际应用。
参考文献
[1] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].
[2] 陈以一,王伟,赵宪忠. 钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术[J]. 建筑结构学报,2010,31(6):11-18.
[3] Uang C M, Nakash M, Tsai K C. Research and
Application of Buckling-Restrained Braced Frames[J]. Steel Structures, 2004(4): 301-313.
[4] 武萍,于峰.锈蚀槽钢梁承载性能研究[J].钢结构,2014,29(6):22-27.
[5] 孙虎元,马士德,侯保荣,等. 海洋环境下碳钢腐蚀规律的数学模拟[J]. 中国腐蚀与防护学报,2000,20(3):183-187.
[6] 白烨. 锈蚀槽钢受弯性能的试验研究与理论分析[D].西安: 西安建筑科技大学,2009.
收稿日期:2015-08-05
DOI:10.13206/j.gjg201512024

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