冷弯薄壁型钢组合柱柱脚承载力实验研究

　　[摘要]在北美，一百多年来木结构一直是住宅建筑的首选结构形式。但是在过去的几十年里面，木材价格得昂贵和起伏不定、框架木材质量的降低以及环境保护等因素使得住宅建筑者开始寻找新的结构形式。低层冷弯薄壁型钢建筑体系就是在这样的背景下发展起来；本研究对冷弯薄壁型钢建筑组合柱柱脚承载力进行了实验，实验结果仅供参考。
　　[关键词]低层钢结构住宅；冷弯薄壁型；组合柱柱脚；
　　1、 引言
　　最早的冷弯薄壁型钢构件应用于建筑大约在19世纪50年代开始于美国和英国。但直到1940年左右，冷弯薄壁型轻钢才广泛应用于建筑。本次研究用的钢材，符合GB/T《连续热镀锌钢板钢带》（2518-2004）所要求的结构级镀锌钢板钢带。与目前应用较为成熟的传统的热轧型钢Q235、Q345相比，这种材料在强度和延性上有一定的区别，而且绝大部分研究集中在单个开口C型构件上，而对于复杂的组合截面，其的力学性能、破坏模式研究不多。本次试验，主要是针对由两个C型和2个U型组合而成复杂截面组合柱柱脚性能进行试验研究，探索该类型柱脚节点的使用建议及相关构造措施。
　　2、 实验概况
　　2.1实验试件
　　本次试验试件为由2个C型及2个U型组合而成的复杂截面组合柱，其中U型和C型截面见图1和图2，其中试件的几何尺寸和公称截面的属性分别见表1和表2：
　　
　　图1U型截面图2C型截面
　　表1C型和U型试件截面尺寸（mm）
　　组成构件 h b a r 
　　C14010 140 41 13 3.05 1.0
　　U14010 143 38 0 3.05 1.0
　　C18020 180 60 20 3.05 2.0
　　U18020 190 50 0 3.05 2.0
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　表2U型及C型构件截面几何属性
　　构件
　　型号 面积（）
　　回转半径 惯性距
　　  ()
　　()
　　()
　　()
　　
　　C14010 242.66 54.05 15.24 709083.5 56377.7
　　U14010 225.86 54.28 12.80 665542.4 37014.8
　　C18020 669.32 70.67 22.95 3343064.2 352614.0
　　U18020 573.72 68.58 16.46 2698726.5 155466.8
　　试件的截面形式及组合图3：在试件每个转角处的两边的相互接触面，用型号为ST4.2的自攻自钻十字圆头螺钉钉紧，即一个横断截面有八颗螺钉，。螺钉沿长度方向的间距为300mm，端部一颗距截面边缘距离为30mm，即两端部的第一个螺钉距离为270mm。
　　
　　图3试件截面形式及组合
　　试件板材厚度为1.00mm和2.00mm两种，共有两种截面形式。其中截面外形为142×143mm的构件材料厚度为1mm，截面外形184×190mm的构件材料厚度为2mm。其中组合试件的公称截面属性见表3，试件长度为1500mm。
　　表3组合试件公称截面属性
　　试件编号 面积（）
　　回转半径 惯性距
　　  ()
　　()
　　()
　　()
　　
　　2C2U14010-HL-1（2，3） 934 59.82 57.48 3342367.3 3085940.5
　　2C2U18020-HL-1（2，3） 2520 77.42 75.04 15103176.7 14191873.3
　　由于本次实验是一种定性实验，对试件的截面和长度没有进行了详细测量，故后续也没有进行相关的数值分析。
　　标准抗拔件（SimpsonStrong-TieHoldowns）其长宽尺寸为63.5mm×410mm，厚度为3.00mm，试件柱脚节点图4和实际照片图5，其中2C2U14010试件与基础连接用4个标准抗拔连接件，每个面安装一个，2C2U18020试件用8个标准抗拔连接件与基础连接，每个面安装两个。
　　
　　图4柱脚节点
　　
　　图5柱脚节点
　　2.2实验内容
　　本次试验为由2个C型及2个U型界面组合而成的柱脚性能研究，试件板材厚度为1.00mm和2.00mm两种，共有两种截面形式。其中截面外形为142×143mm的构件材料厚度为1.00mm，截面外形184×190mm的构件材料厚度为2.00mm。试件编号、组成构件的截面形式及尺寸见表4和图6，编号中前两个数字均表示相应组成构件的个数，字母C表示构件为冷弯C型钢、U表示构件为冷弯U型钢，HL表示进行柱脚节点试验，(1,2,3)表示重复试件的编号。
　　表4试件编号、组成构件截面形式及尺寸
　　试件编号 试件长度（mm） 实验方式 组成构件
　　2C2U14010-HL-1（2，3） 1500 弯压 C14010
　　   U14010
　　2C2U18020-HL-1（2，3） 1500 弯压 C18020
　　   U18020
　　
　　2C2U14010-HL-1
　　
　　
　　
　　
　　
　　图6构件编号含义
　　柱脚节点构造为采用标准抗拔件（SimpsonStrong-TieHoldowns）通过M16的螺栓与地面固定，通过自攻钉与试件进行连接。本次实验主要观察和考察柱子试件、标准抗拔件及之间的螺钉连接的受力破坏情况，不考虑螺栓与地面连接的破坏，故底板采用20mm的钢板通过螺栓固定。
　　2.3加载装置
　　本次试验是在同济大学建筑工程系建筑结构实验室进行。两种试件的长度均为1500mm，采用反力架加千斤顶的实验装置的加载方式。实验在构件的顶端处进行加载，将千斤顶平放在反力架上顶牢，在试件顶部施加横向荷载，同时在试件顶部施加挂重荷载，模拟实际使用过程的弯压状态，横向试件加载装置图及实验照片见图7和图8：
　　
　　图7实验加载
　　
　　图8实验加载
　　根据理论计算，选择对构件加载的千斤顶量程为50KN，同时考虑构件本身承载力较小及实验室条件限制，本次试验的采取挂重荷载，挂重重量为10KN，在挂重顶面有一块12mm的钢板通过两个耳板固定在柱顶，使挂重荷载均匀受压在柱子上，同时防止挂重荷载施加横向荷载时滑动，横向荷载千斤顶施加荷载时不会挤压构件变形，具体见图8。
　　
　　图8加载点顶部保护装置
　　2.4测点布置
　　构件在距基础地面100mm、750mm和1450mm三处两个面布置一定数量的位移计，用于测量受弯过程中的位移，用于计算受荷过程中的位移。在距底部100mm、200mm和300mm三处两个面布置了应变片，用于测量构件的纵向应变。图9给出了试件的各个位置的应变片和位移计的布置情况。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　（a）100mm位移计（b）750mm位移计(c）1450mm位移计
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　（f）100mm应变片（g）20mm应变片(h）30mm应变片
　　图9构件位移计和应变片布置图
　　3实验结果
　　3.1实验破坏现象
　　（1）2C2U14010型柱脚
　　2C2U14010柱脚破坏情况如图10，试件破坏过程及现象为：1）试件开始受压时荷载和与底部拉应变非常不规律，但是当荷载增加到一定时候后开始成线性增加；2）随着荷载的增加，上部变化不明显，主要是抗拔连接件与试件连接处出现变形，一面鼓出来，一面凹进去；3）千斤顶反向加载，同样位移的情况下，试件弹性恢复性良好，但是在相同位移下试件横向承载力下降较快；4）荷载增加到极限荷载，试件于抗拔件处鼓曲破坏，抗拔件没有破坏；5）在整个实验过程中，试件的位移变化非常大，超过千斤顶的最大量程15cm，即构件的竖向偏移量大于1/10,远远超过国家相关规范规定数值。
　　
　　（a）（b）
　　图102C2U14010柱脚节点破坏照片
　　试件的破坏基本都集中在试件与抗拔连接件的连接处，试件挤压破坏，形成上部局部压曲，整个实验过程中，由于诸种原因造成数据采集失败，也无法改进，定性分析觉得也无相应价值，没有采集到相关数据，后续没有进行相关数据分析。
　　(2)2C2U18020型柱脚
　　2C2U18020柱脚破坏情况如图11(a)、(b)、(c)、(d)，试件破坏过程及现象为：1）试件开始受压时荷载和与底部拉应变非常不规律，但是当荷载增加到一定时候后开始成线性增加；2）随着荷载的增加，上部变化不明显，主要是抗拔连接件与试件连接处的连接件底部出现鼓曲，试件底部一侧压实、一侧有抬离地面的趋势；3）千斤顶反向加载，同样位移的情况下，试件弹性恢复性良好，但是在相同位移下试件横向承载力下降较快；4）荷载继续增加，连接处抗拔件底部破坏拉脱，抗拔件破坏；5）在整个实验过程中，试件的位移变化非常大，超过千斤顶的最大量程15cm，即构件的竖向偏移量大于1/10,远远超过国家相关规范规定数值。
　　试件的破坏基本都集中在抗拔连接件处，整体上来讲，试件相对于连接件过于刚，不符合我们传统的结构设计中“强节点，弱构件”的基本原则，整个实验过程中，由于诸种原因造成数据采集失败，也无法改进，定性分析觉得也无相应价值，没有采集到相关数据，后续没有进行相关数据分析。
　　
　　
　　
　　（a）（b）
　　
　　（c）（d）
　　图112C2U18020柱脚节点破坏照片
　　4、实验结果分析
　　4.1千斤顶的影响
　　千斤顶对本次实验影响较大主要体现在以下几个方面：1）由于构件材料本身较薄，尺寸较小，导致横向承载力较小，大概在15kN左右，而实验室的千斤顶液压泵的两成最少都有50KN，分级加载过程不灵敏。2）同时这个级别的千斤顶没有往复加载功能，为了实现往复功能，需在两边割施加一个千斤顶，在实际操作过程中会造成大量认为误差。3）往复加载过程中，千斤顶不能自动回缩，导致构件反弹过程中需先克服液压泵的摩擦力，导致数据采集的不准确性。4）实验过程中，液压泵的量程为15cm，由于本次实验构件较为柔，位移较大，正常情况下无法直接加载到破坏，造成无法采集数据。
　　5.2挂重的影响
　　由于采用挂重荷载，限于条件最多只能挂重10KN，根据正常额弯压实验要求，竖向荷载的重量，屈强比会达到0.2左右，及超过25KN以上，故对实验的结果影响较大，时件的位移较大，无法准确模拟实际情况。
　　5、建议与结论
　　通过对6个复杂组合闭合截面的冷弯薄壁型钢柱脚试验分析，可以得出如下初步建议和结论：
　　（1）从实验结果来看，2C2U14010类型柱脚做到了“强节点、弱构件”的要求，但是组合构件在与抗拔连接件连接处需将螺钉加密，防止试件在手里过程开裂，导致柱脚的承载力性能降低。
　　（2）2C2U18020类型柱脚没有做到了“强节点、弱构件”的要求，证明试件相对于连接件过于刚性，需要改变连接件型号，加强节点连接能力。同时在连接件连接处钉子加密，加强局部整体性。
　　（3）从采集的有限的滞回曲线来看，节点的承载能力在往复荷载作用下，承载力下降较快，原因主要是因为连接件与试件的连接采用自攻钉，在往复荷载作用下，容易松动，导致节点成为机构，从而导致横向位移较大，不符合相关设计规范。
　　（4）该类型的柱脚节点不适宜考虑其抗弯承载力，在实际使用过程中，需结合抗剪墙一起使用，柱子作为摇摆柱依附在抗剪墙体上，这样的设计较为合理。
　　参考文献
　　[1]中华人民共和国国家标准，连续热镀锌钢板钢带，GB/T2518-20022004．
　　[2]西安建筑科技大学钢结构研究所，长安大学建筑工程学院，博思格建筑系统住宅部，高强冷弯薄壁型钢轴压短柱试验研究报告，2005．
　　[3]西安建筑科技大学钢结构研究所，长安大学建筑工程学院，博思格建筑系统住宅部，高强冷弯薄壁型钢轴压长柱试验研究报告，2005．
　　[4]西安建筑科技大学钢结构研究所，长安大学建筑工程学院，博思格建筑系统住宅部，高强冷弯薄壁型钢C形截面轴压柱畸变屈曲试验研究报告，2005．

《冷弯薄壁型钢组合柱柱脚承载力实验研究》

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