近年来, 冷弯薄壁型钢构件朝着材料强度高强化、板件厚度超薄化和截面形式复杂化的趋势发展, 屈服强度高达550MPa, 板厚小于1mm的高强冷弯薄壁型钢已在澳洲和欧美等发达国家的低、多层钢结构房屋建筑中开始应用^[1]。由于板材较薄, 衍生出了带有板件V形加劲肋的复杂截面形式, 其构件的稳定性能受到了国内外学者的广泛关注。Yang与Hancock^[2]对腹板与翼缘中间均V形加劲的G550高强冷弯薄壁槽钢轴压构件的局部屈曲、畸变屈曲以及局部与畸变的相关屈曲进行了试验研究。何保康等^[3,4]与李元齐等^[5,6,7]也相继对板件中间V形加劲的G550高强冷弯薄壁槽钢轴压和偏压构件的屈曲性能进行了大量的试验研究。到目前为止, 关于板件V形加劲的G550高强冷弯薄壁型钢受弯构件的屈曲性能研究鲜有报道^[8,9]。

　　 由于冷弯薄壁型钢受弯构件腹板上的应力呈梯度分布, 上翼缘受压、下翼缘受拉, 因此在翼缘设置V形加劲对增强受弯构件的稳定性能有显著效果。王春刚等^[10]利用有限元程序对翼缘不同位置设置V形加劲肋的冷弯薄壁槽钢受弯构件弹性屈曲应力进行了研究, 分析表明, 在受压翼缘中间设置V形加劲对提高受弯构件的稳定性能最有效。然而, 该研究仅针对弹性范围内的屈曲应力进行了有限元分析, 尚需开展此类截面受弯构件的试验研究。

　　 本文对G550高强冷弯薄壁槽钢受弯试件进行了试验研究, 以明确翼缘V形加劲位置对试件受弯承载力和屈曲模式的影响, 并验证有限元程序分析此类构件的可靠性, 为后续研究提供有力支撑。

　　 为了研究翼缘V形加劲位置对高强冷弯薄壁槽钢构件受弯承载力和屈曲模式的影响, 选取了下列4种截面形式:翼缘无V形加劲、翼缘偏腹板一侧V形加劲、翼缘中间V形加劲以及翼缘偏卷边一侧V形加劲, 每种截面形式选取了2种卷边宽度, 试验共8组, 每组试验中截面完全相同的试件有2个, 共计16个试件。试件截面形式如图1所示。

　　 试件采用G550高强镀铝锌钢板加工而成, 名义厚度t为1.2mm。图2所示为4种截面形式的试件截面几何参数定义。所有试件的翼缘宽度B=80mm, 腹板高度H=160mm。短卷边和长卷边的卷边宽度d分别为10mm和30mm, 翼缘V形加劲肋宽度S_b和高度S_h分别为20mm和10mm, 翼缘V形加劲肋距腹板的距离b依次为20, 30, 40mm。板件交线处弯曲内径r=1.2mm。

　　 图3所示为试件编号规则。试验前利用游标卡尺、万能角度尺对所有试件研究区段的两端和中间3个位置的实际截面几何尺寸进行了测量。最终, 试件的实际截面几何尺寸取3次测量结果的平均值。表1为各试件实际截面几何尺寸的测量结果。试件实测板厚t=1.24mm。

　　 试件选用G550高强镀铝锌钢板冷弯成型, 试件材料属性根据标准板状试件拉伸试验确定。材性试验结果见表2。

　　 在试件的加工、运输过程中不可避免地会产生各种初始缺陷, 试件越薄, 其屈曲性能对初始几何缺陷越敏感^[11]。因而, 试验前细致测量了所有试件研究区段受压上翼缘的局部和畸变初始几何缺陷。试件的研究区段长度为900mm, 测量初始缺陷时, 沿研究区段长度方向每隔50mm在受压翼缘上做一标记, 图4所示为沿受压翼缘宽度方向的测点标记, 然后按照标记点划好网格, 以网格点作为测点进行初始几何缺陷的量测。

　　 局部初始缺陷Δ_l采用图5 (a) 所示装置测量, 畸变初始缺陷Δ_d采用图5 (b) 所示装置测量。分别读取架上和去掉刚性杆时的2次百分表读数, 并分别记为δ₁和δ₂, 刚性杆上表面至支点距离记为a, 则Δ=δ₁-δ₂-a可视为被测点的初始几何缺陷值^[12]。局部初始缺陷以正值表示向内凹、负值表示向外凸, 畸变初始缺陷以正值表示向外凸、负值表示向内凹。所有试件初始几何缺陷的最大值见表3。

　　 试件的连接示意图如图6所示, 采用背靠背连接方式, 通过高强螺栓将两个截面完全相同的试件在加载处和支座处与相应的连接件相连, 利用高强螺栓与试件腹板之间的摩擦力来传递荷载, 将荷载均匀地传递给两个试件。

　　 试验加载装置如图7所示。试件的研究区段为跨中两个加载点之间长度为900mm的纯弯区段, 两侧非研究区段的长度也为900mm。为了减小非研究区段影响, 以及避免试件整体弯扭屈曲的发生, 采用6mm厚的钢盖板通过螺栓与试件非研究区段上翼缘相连。采用千斤顶手动加载, 试件每级加载量及受弯承载力通过传感器的读数来反映。图7也给出了每个试件的位移计布置方式, 1个位移计布置在跨中, 2个位移计布置在荷载作用点, 用来监测这些位置的竖向位移变化情况。

　　 正式加载前先进行1次或者2次预加载, 预加载的最大加载量为预估荷载的20%。正式加载分为三个阶段:加载初期, 每级加载量为预估荷载的10%左右, 直至累计加载量为预估荷载的70%;加载中期, 每级加载量为预估荷载的5%左右, 直至累计加载量为预估荷载的90%;加载后期, 每级加载量为预估荷载的2%左右, 直至试件破坏。每级加载完成后需静候1～2min, 以保证各项采集数据基本稳定, 然后记录下传感器和位移计的读数。

　　 由于短卷边对翼缘的约束作用较弱, 所有短卷边试件发生了畸变屈曲, 同组试验的2个试件受压翼缘发生了明显的呈反对称模式的畸变屈曲, 图8 (a) ～ (d) 分别为翼缘无V形加劲、翼缘偏腹板一侧V形加劲、翼缘中间V形加劲和翼缘偏卷边一侧V形加劲的短卷边试件畸变屈曲。从图8可见, 翼缘V形加劲长卷边试件的畸变屈曲变形幅度均大于翼缘无V形加劲试件。

　　 对于翼缘无V形加劲的长卷边试件, 试件的受压腹板、受压翼缘与受压卷边均发生了明显的局部屈曲。这是由于长卷边对翼缘的约束作用较强, 且翼缘无V形加劲而使板件宽厚比较大, 导致试件发生了局部屈曲破坏。图9所示为翼缘无V形加劲长卷边试件的局部屈曲。

　　 对于翼缘V形加劲的长卷边试件, 试件首先在加载点附近的受压腹板、受压翼缘和受压卷边处有局部屈曲出现, 随后构件受压翼缘和腹板的交线发生了明显的畸变屈曲, 最后加载点附近受压腹板的局部屈曲引发了试件的最终破坏。图10 (a) ～ (c) 分别为翼缘偏腹板一侧V形加劲、翼缘中间V形加劲以及翼缘偏卷边一侧V形加劲长卷边试件的局部与畸变相关屈曲。

　　 与翼缘无V形加劲长卷边试件发生局部屈曲破坏不同, 翼缘V形加劲长卷边试件发生了局部和畸变的相关屈曲破坏, 这是由于翼缘V形加劲在提高试件局部屈曲临界力的同时, 也使得试件的畸变屈曲问题突出。

　　 表4列出了所有试件的受弯承载力和屈曲模式。由表4可见, 当卷边宽度相同时, 翼缘V形加劲试件的受弯承载力明显高于翼缘无V形加劲试件。对于短卷边试件, 翼缘V形加劲试件的受弯承载力比翼缘无V形加劲试件提高了39%～53%;对于长卷边试件, 翼缘V形加劲试件的受弯承载力比翼缘无V形加劲试件提高了28%～37%。屈曲模式是造成承载力提高幅度不同的主要原因, 所有短卷边试件均发生了畸变屈曲, 翼缘无V形加劲长卷边试件发生了局部屈曲, 而翼缘V形加劲长卷边试件发生了局部与畸变的相关屈曲, 正是这种相关屈曲作用降低了翼缘V形加劲长卷边试件的极限承载力^[13]。

　　 图11 (a) , (b) 分别为短卷边试件与长卷边试件的弯矩-跨中挠度曲线。由图11可见, 翼缘V形加劲试件的曲线均位于翼缘无V形加劲试件的上方, 翼缘V形加劲试件的曲线上升段极为接近, 下降段则因V形加劲位置不同而分散, 且下降段均较为急剧, 这是由于试件采用屈服强度550MPa的高强镀铝锌钢板冷弯而成, 具有强度高、延性差的特点。

　　 图12绘制了翼缘V形加劲不同位置时试件的受弯承载力。对短卷边试件, 翼缘中间V形加劲试件的受弯承载力最大;对长卷边试件, 翼缘偏腹板一侧V形加劲试件的受弯承载力最大。经分析, 翼缘V形加劲位置对试件的屈曲模式和受弯承载力有重要影响, 且与卷边宽度有关。

　　 对于短卷边试件, 均发生了畸变屈曲, 但变形幅度有所不同。由图8 (b) ～ (d) 可见, 翼缘偏腹板一侧V形加劲试件的变形幅度最大, 翼缘偏卷边一侧V形加劲试件的变形幅度次之, 翼缘中间V形加劲试件的变形幅度最小。比较结果表明, 在翼缘中间设置V形加劲肋对试件的畸变屈曲变形约束作用是最大的, 而此种情况下试件的受弯承载力也最大。

　　 对于长卷边试件, 翼缘V形加劲试件的破坏是由加载点附近受压腹板的局部屈曲引起的。翼缘V形加劲位置越靠近腹板, 对腹板的支撑作用就越强。试验承载力结果 (表4) 也表明, 翼缘偏腹板一侧V形加劲试件的受弯承载力最大, 但仅比翼缘中间V形加劲试件的受弯承载力高出不到1%, 考虑实际工程中在翼缘中间设置V形加劲肋易于加工制作并便于工程施工, 综合考虑可认为在翼缘中间设置V形加劲对提高构件的受弯承载力最为有效。

　　 利用有限元程序ANSYS12.0对8组试验进行了有限元模拟。选用Shell181壳单元模拟试件、钢盖板和连接件, 模拟时考虑了几何和材料的双重非线性。模拟时构件的材料属性和初始几何缺陷均输入了表2中材料属性和表3中初始几何缺陷的实际测量值。模拟时忽略了残余应力和冷弯引起的材料屈服强度提高的影响。

　　 有限元模拟所得受弯承载力及屈曲模式与试验结果的对比见表4。比较结果表明, 有限元模拟与试验所得试件的屈曲模式基本一致 (图13) ;有限元模拟与试验所得试件受弯承载力相差均在5%以内 (表4) , 相差不大。有限元模拟与试验所得试件弯矩-跨中挠度曲线在曲线上升阶段吻合较好 (图14) , 在曲线下降阶段由于G550级钢材强度高、延性差, 有限元模拟与试验所得试件弯矩-跨中挠度曲线出现偏离, 试验曲线出现突然下降的趋势, 而有限元模拟曲线偏于理想化。总体而言, 有限元模拟与试验结果吻合良好, 验证了有限元程序分析翼缘V形加劲G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的可行性, 在此基础上可开展此类构件的大量有限元参数分析研究。

　　 通过对翼缘无V形加劲、翼缘偏腹板一侧V形加劲、翼缘中间V形加劲以及翼缘偏卷边一侧V形加劲的8组G550高强冷弯薄壁槽钢受弯构件的试验研究, 得到以下主要结论:

　　 (1) 翼缘V形加劲试件相比翼缘无V形加劲试件的受弯承载力得到了大幅度提高, 其中短卷边试件受弯承载力提高了39%～53%, 长卷边试件受弯承载力提高了28%～37%。与此同时, 翼缘V形加劲导致试件畸变屈曲问题突出。

　　 (2) 翼缘V形加劲位置对试件的屈曲模式和受弯承载力有重要影响, 且与卷边宽度有关。短卷边试件表现为畸变屈曲, 其中翼缘中间V形加劲试件的受弯承载力最大;长卷边试件表现为局部与畸变的相关屈曲, 其中翼缘偏腹板一侧V形加劲试件的受弯承载力最大, 但与翼缘中间加劲V形试件的受弯承载力相差不到1%。综合考虑试件加工制作及施工等因素, 翼缘中间V形加劲对提高试件的稳定性能效果最好。

　　 (3) 试件弯矩-跨中挠度曲线的下降段较陡。这是由于试件采用G550高强镀铝锌钢板冷弯而成, 具有强度高、延性差的特点。

　　 (4) 有限元模拟结果与试验结果吻合良好, 因此可为后续此类板件V形加劲G550高强冷弯薄壁型钢受弯构件进行大量有限元参数分析提供有力支撑。本文所得结论是针对试验采用的截面尺寸的构件给出的, 截面尺寸的影响并未讨论, 有待于通过有限元参数分析进一步研究截面尺寸的影响。