Q345冷成型钢高温力学性能试验制度参数的影响研究

钢材的火灾全过程高温本构是开展冷成型钢结构抗火研究的重要输入数据。为此,开展国内常用Q345冷成型钢高温力学性能试验研究,定量考察峰值温度保温时间、降温速率、温度历程以及稳态与瞬态试验方法等试验制度参数对其力学性能的影响,结果表明： 高温稳态试验中,峰值温度保温时间和降温速率对钢材高温力学性能影响不明显,相对百分偏差均介于-10%~10%之间;若温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度均相同,则钢材在多次升降温过程下的高温力学性能与其在一次升降温过程降温段的高温材性相互接近; 高温瞬态试验中,温度历程对钢材高温试验应变影响显著;相同拉伸温度下,升温与降温段的应变相对偏差最高可达12904%; 稳态与瞬态试验方法对考虑温度历程的冷成型钢高温应变影响亦非常明显,试验参数范围内,相同拉伸温度下应变相对百分偏差最大可达14851%。总之,Q345冷成型钢的火灾全过程高温本构需考虑温度历程中各次升温过程峰值温度中的最高温度和拉伸温度的影响,且稳态与瞬态试验方法所构建的高温本构模型并不等效。     

Q345冷成型钢高温力学性能试验研究

冷成型钢高温材料特征指标是进行冷成型钢结构抗火设计及数值模拟的重要参数。现有的钢材高温材性数据大多基于稳态试验方法得到,而瞬态试验方法较前者更接近实际火灾情况。利用MTS810试验系统对1.5mm厚Q345冷成型钢进行了高温力学性能试验研究,将瞬态、稳态试验结果进行对比分析。试验结果表明： Q345冷成型钢瞬态试验抗拉强度折减系数在430～700 ℃时普遍高于稳态试验结果,二者相对误差27%～57%;超过100 ℃,Q345冷成型钢瞬态试验高温弹性模量明显低于稳态试验结果,相对误差17%～156%;450～550 ℃时,相同温度、应变水平下,Q345冷成型钢瞬态试验应力-应变曲线弹塑性阶段应力值明显高于稳态试验应力值,导致瞬态试验高温屈服强度高于稳态试验结果,相对误差28%～40%。通过数值拟合给出Q345冷成型钢高温材性折减系数及本构关系表达式,表达式与试验结果基本吻合。     

Q345冷成型钢高温蠕变性能试验研究

高温蠕变会加速热轧型钢构件受火失效,而对冷成型钢构件的高温蠕变性能研究有待深入。为此,对厚1.0 mm的Q345冷成型钢进行了8个试验温度(200～700℃)下的高温蠕变试验,每个试验温度设置2～8个应力水平(应力比0.10～1.1),总计41个试验工况,最长持时240 min。得到了不同温度和不同应力比下的蠕变曲线,并与已有的Q345热轧型钢高温蠕变曲线进行对比。结果表明：相同温度及应力比下,冷成型钢蠕变发展要快于热轧型钢,在实际工程中,应区别对待热轧型钢与冷成型钢的蠕变特性。基于高温下试件进入加速蠕变阶段的最小应力水平,给出了Q345冷成型钢在温度400～700℃下的蠕变断裂临界应力比,其中,温度为400～500℃和700℃时,蠕变断裂临界应力比高于屈服强度折减系数;而温度为550～600℃时,蠕变断裂临界应力比低于屈服强度折减系数,Q345冷成型钢可能会在达到高温屈服强度之前发生蠕变破坏,不利于结构安全。根据复合时间强化模型和稳态蠕变速率与应力比的定量关系,分别给出Q345冷成型钢高温蠕变曲线预测模型和稳态蠕变速率预测模型,预测值与试验值均较为接近,适用于预测Q345冷成型钢在温...     

冷弯型钢梁柱抗弯节点受力性能的影响

采用有限元分析方法,以螺栓直径和螺栓间距、C型钢屈服强度、厚度和截面高度、节点板厚度等为参数,建立梁柱抗弯节点的三维非线性有限元模型,对影响节点受力性能的因素进行了分析,并在此基础上对这种连接节点提出了设计建议。     

高温自然冷却后Q345钢材疲劳性能试验研究

为研究火灾后钢材承受机械振动、风致振动和车辆振动等动力荷载的疲劳性能,通过升温、自然冷却和疲劳试验,对室温和经历250～750℃高温自然冷却后的40个Q345钢材试样进行轴向拉伸疲劳性能试验研究。结果表明:不同高温自然冷却后Q345钢材疲劳断口的破坏特征存在明显差异,裂纹扩展区和瞬断区的面积随温度升高而发生变化; Q345钢材在室温或经高温自然冷却后的疲劳断口具有典型韧窝组织,受热温度不超过500℃时韧窝组织随温度升高而增多变密,受热温度为750℃时韧窝组织减少、变浅且大小分布不均匀,主要表现为具有撕裂痕迹的类解理破坏;经高温自然冷却后Q345钢材的疲劳寿命随着温度增加而呈先增加后减小的变化趋势,与常温下钢材的疲劳寿命相比,500℃以内时,疲劳寿命随温度升高而增加,最大增幅为277.18%,750℃时疲劳寿命下降了65.27%。根据试验结果,建立不同高温自然冷却后Q345钢材的概率S-N曲线模型,利用该模型可对火灾后Q345钢结构的疲劳性能进行有效评估。     

Q345B钢的焊接工艺设计及焊接工艺评定实践

为严格控制焊接质量,对桥梁用Q345B钢焊接工艺进行设计并对所制定焊接工艺进行评定,试样结果表明所制定焊接工艺正确,为今后编制焊接工艺规程提供了依据.     

截面尺寸对冷弯薄壁槽形钢屈曲的影响

薄壁构件在轴向受压荷载作用下很容易由于屈曲而失效,但是冷弯薄壁型钢构件的屈曲又是一个复杂的过程。在此用有限条法分析了卷边C型截面钢构件的局部屈曲性能,较真实地反映了其受力的实际情况,得出了卷边C型截面钢构件各个截面参数变化对屈曲的影响。     

冷弯薄壁型钢三层房屋振动台试验研究

为考察低层冷弯薄壁型钢房屋的抗震性能,进行一个三层足尺模型的振动台试验,得到低层冷弯薄壁型钢房屋结构在水平地震作用下的动力特性、地震反应、破坏机理等,并对其抗震性能进行评估。结果表明:结构在振动过程中表现为局部破坏,墙体骨架基本完好;结构呈剪切型变形形式;9度抗震设防时,多遇地震下结构最大弹性层间位移角为1/934,罕遇地震下结构最大弹塑性层间位移角为1/52,满足抗震规范关于抗震变形验算的相关规定;该房屋体系抗侧力的关键在于墙板的蒙皮作用和抗拔件的抗倾覆作用,因此应保证接缝和边角处自攻螺钉的施工质量,抗拔件应采取有效的防松措施。对结构的抗震能力进行初步评估,表明该房屋在9度多遇地震下的墙体剪力均小于其抗剪承载能力,且具有较高的安全储备。     

高强超薄壁冷弯型钢低层住宅足尺模型振动台试验

进行了两层高强超薄壁冷弯型钢住宅结构足尺模型的振动台试验,模型采用屈服强度550 MPa、厚度2 mm以下超薄壁冷弯型钢龙骨,外墙内外侧覆面板分别采用12 mm厚石膏板和0.42 mm厚屈服强度550 MPa带肋波纹钢板,内墙两侧覆面板均为12 mm厚石膏板。试验选取3条实测地震波记录和1条人工合成地震波,地震加速度考虑7度多遇到9度罕遇的烈度水平。试验结果表明：结构破坏均发生在连接部位和覆面板的局部区域,破坏模式为自攻螺钉的脱落和石膏板的局部破裂,而内部主体型钢龙骨基本无破坏;结构水平刚度虽有较大削弱,但在地震作用下结构无倒塌危险;采用双面覆板构造的复合墙体结构,能够满足抗震设防地区“大震不倒”的要求;墙体开洞部位为结构的薄弱区域,结构设计时应加强门、窗等开洞部位的构造措施以及自攻螺钉连接的可靠性。     

国产Q690高强钢高温下力学性能试验研究

通过国产Q690高强钢的稳态试验研究,得到20～800℃下钢材的试验现象、应力-应变关系曲线、力学性能参数,并将所得试验结果与相关规范和已有研究进行比较。研究发现:随温度升高,试验后钢材表面及断口形貌区别明显,应力-应变关系曲线的初始线弹性段缩短、极限应力对应应变减小、下降段趋于平缓;弹性模量、屈服强度和抗拉强度等力学性能指标随温度升高而降低;而断后伸长率在200～500℃时相较于常温值有小幅度下降,600℃后明显增加;当温度低于500℃时,不同名义屈服强度折减系数之间存在较大差异。目前已有研究建议的钢材高温力学性能模型并不适用于Q690高强钢,通过试验结果拟合得到了高温下Q690钢力学性能模型,以期用于Q690钢材的钢结构抗火安全评估与设计。     

Study on fire behavior of cold-formed steel quadruple-limbbuilt-up box-section column

冷弯薄壁型钢四肢拼合截面柱是一种常用的拼合柱，主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑结构中承受集中荷载。对8根拼合箱形截面柱进行了高温下整体稳定试验研究，主要考虑了不同的温度纵向分布模式和螺钉布置方式对其抗火性能的影响。试验中测得了炉温、柱温、轴向荷载、轴向位移和侧向位移等，并且得到了钢柱在高温破坏后的残余变形。根据试验结果可以判断钢柱在高温下首先发生整体屈曲，再发生局部屈曲，最后在二者相互作用下失去承载能力。试验结果表明：当螺钉间距小于300 mm时，构件截面的协同变形能力良好，单肢构件间未出现分离的现象，且随着螺钉间距减小，钢柱失效的临界温度有较大的提升；在拼合柱端部设置抗剪螺钉群对其抗火性能的提升不明显；当构件由全长受火变为上半部分受火时，构件侧移最大点位置会由中部区域向上移动靠近柱端，且达到耐火极限时，钢柱失效的临界温度升高。基于ABAQUS建立了有限元模型，模型中考虑了材料与几何非线性以及高温下螺钉的抗剪刚度。有限元模拟结果与试验结果对比发现，该有限元模型不仅可以很好地模拟该类构件高温下的变形，也可准确地预测其耐火极限与临界温度。     

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体抗震性能试验研究

喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体是在冷弯薄壁型钢骨架区格内设置聚苯乙烯泡沫板,并在骨架外侧喷涂轻质保温材料制成。通过对1个冷弯薄壁型钢骨架试件和2个喷涂保温材料冷弯薄壁型钢组合墙体试件的低周反复加载试验,分析了试件的受力过程和破坏形态,研究了试件的滞回曲线、骨架曲线、承载能力、抗侧刚度以及延性等力学特征,并将试验结果与已有的两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体的试验数据进行了对比分析。研究结果表明：冷弯薄壁型钢骨架的节点刚度较弱,承载能力较低,不宜单独作为抗侧力构件;与两侧挂板冷弯薄壁型钢组合墙体相比,轻质保温材料的连续喷涂使得组合墙体更具整体性,其承载能力和抗侧刚度显著增加,并具有良好的抗震性能。     

冷弯薄壁四肢拼合箱形截面柱抗火性能研究

冷弯薄壁型钢四肢拼合截面柱是一种常用的拼合柱,主要用于多层冷弯薄壁型钢结构建筑结构中承受集中荷载。对8根拼合箱形截面柱进行了高温下整体稳定试验研究,主要考虑了不同的温度纵向分布模式和螺钉布置方式对其抗火性能的影响。试验中测得了炉温、柱温、轴向荷载、轴向位移和侧向位移等,并且得到了钢柱在高温破坏后的残余变形。根据试验结果可以判断钢柱在高温下首先发生整体屈曲,再发生局部屈曲,最后在二者相互作用下失去承载能力。试验结果表明：当螺钉间距小于300 mm时,构件截面的协同变形能力良好,单肢构件间未出现分离的现象,且随着螺钉间距减小,钢柱失效的临界温度有较大的提升;在拼合柱端部设置抗剪螺钉群对其抗火性能的提升不明显;当构件由全长受火变为上半部分受火时,构件侧移最大点位置会由中部区域向上移动靠近柱端,且达到耐火极限时,钢柱失效的临界温度升高。基于ABAQUS建立了有限元模型,模型中考虑了材料与几何非线性以及高温下螺钉的抗剪刚度。有限元模拟结果与试验结果对比发现,该有限元模型不仅可以很好地模拟该类构件高温下的变形,也可准确地预测其耐火极限与临界温度。     

冷弯薄壁型钢C形截面构件受弯承载力试验研究

为了研究冷弯薄壁型钢构件的受弯性能,对卷边形式为直卷边、斜卷边和复杂卷边的冷弯薄壁型钢C形截面受弯构件进行了试验研究。共计24个试件,分为12组试验,其中纯弯试验和非纯弯试验各6组。试验结果表明,卷边形式是影响构件受弯承载力的重要因素。试验中出现了局部屈曲、畸变屈曲以及局部和畸变的相关屈曲。对比两种受弯状态下的承载力发现,非纯弯时试件的承载力比纯弯时均有所提高,但提高的幅度和试件的屈曲模式有关,当发生畸变屈曲时提高得较多,而发生局部屈曲时提高得较少。利用有限元程序ANSYS对试验进行模拟,模拟结果与试验结果吻合较好。     

LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体受剪性能试验研究

为研究OSB板和水泥纤维板作为LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体结构面板时的受力性能,进行7个不同结构面板的LQ550高强冷弯薄壁型钢组合墙体试件的水平单调加载和低周反复加载试验研究,分析了组合墙体的受剪承载力、延性系数、耗能系数等。结果表明：面板拼缝是组合墙体的薄弱部位;在水平接缝处设置宽而完整钢衬板的墙体试件具有较高的受剪承载力和抗侧刚度;单面水泥纤维板单调加载时比低周反复加载时承载力提高约8.79%~12.27%,其受剪承载力较低,但屈服前试件基本完好;对于双面板墙体试件,无论在单调加载还是反复加载时,其承载力、抗侧刚度约为各单面板试件相应指标之和。低周反复加载试件的耗能系数基本接近。     

冷弯薄壁型钢自冲铆接受拉性能及设计方法研究

为将连接效率和工业化程度高的自冲铆接应用于冷弯薄壁型钢结构中,对84组薄壁钢自冲铆接进行了受拉性能试验;研究了钢板厚度、钢板厚度比、组合方式及铆钉长度对其受拉性能及破坏模式的影响;考察了现有自冲铆接抗拉强度计算方法及各国规范自攻螺钉受拉承载力计算方法的适用性;提出了自冲铆接的受拉承载力计算方法及基于容许强度法的设计方法。结果表明:钢板厚度比t₂/t₁是影响自冲铆接破坏模式的关键因素,当1≤t₂/t₁<1.5时,自冲铆接发生铆钉腿拔出下层钢板破坏,当t₂/t₁≥1.5时,发生铆钉头拉脱上层钢板破坏;钢板厚度和铆钉长度对自冲铆接受拉性能的影响显著,受拉承载力随两者的增加基本呈线性增加;钢板组合方式对自冲铆接受拉性能和破坏模式影响较大,薄板位于铆钉头侧能有效提高承载力及变形能力;由于计算值过于保守且考虑的破坏模式不全面,现有计算方法不适用于冷弯薄壁型钢自冲铆接;与现有方法相比,提出的自冲铆接受拉承载力计算方法能考虑更为全面的破坏模式,且其计算值精度更高、离...     

Q690钢材高温后的力学性能试验研究

通过升温、冷却和拉伸试验,对历经300~900℃高温后的Q690钢材在自然冷却和浸水冷却条件下的力学性能展开试验研究。结果表明：经高温冷却的Q690钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征;受热温度超过500℃时,高温冷却对Q690钢材的弹性模量影响很小,对其强度和伸长率影响较大;当受热温度不超过700℃时,Q690钢材高温后的强度和伸长率在两种冷却方式下具有基本相同的变化规律;在700~800℃之间,不同冷却方式对Q690钢材高温后强度和伸长率产生影响,且随温度升高差别愈加明显,自然冷却条件下强度降低且伸长率增大,浸水冷却条件下强度增大且伸长率减小。将Q690钢材高温后力学性能与Q235钢材和Q460钢材比较,认为不同强度等级钢材高温后的力学性能差别显著,在自然冷却条件下较高强度钢材（Q690）的强度衰减和延性增长大于较低强度钢材（Q235和Q460）的。根据试验结果,建立了不同冷却条件下的高温后各力学参数与受热温度之间的数学模型,该模型可用于火灾后Q690钢结构的承载能力的评估。     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能,对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验,考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响.结果表明:增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用,提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度,但延性降低;采用方钢管截面...     

壁挂式冷弯型钢结构双层组合墙体抗震性能试验研究

为研究壁挂式连接冷弯型钢结构中双层组合墙体的抗震性能，对4个足尺双层墙体试件进行了水平低周往复试验，考虑了刚性斜撑、方钢管端柱加强、下部两层墙体抗侧刚度比等因素对墙体抗震性能的影响。结果表明：增设刚性斜撑墙体中V形刚性斜撑与墙面板蒙皮作用同时发挥抗侧作用，提高了墙体的受剪承载力及弹性抗侧刚度，但延性降低；采用方钢管截面端柱可避免端柱发生压屈破坏，其对墙体的抗侧刚度及受剪承载力提高幅度较小，但可以改善墙体的延性及变形性能；当底层与二层墙体抗侧刚度比大于1时，墙体属于弯曲型破坏。建议在多层冷弯薄壁型钢结构住宅抗震设计中，对底层墙体设置刚性斜撑、采用方钢管加强端柱以提高墙体受剪承载力及端柱抗压屈能力。     

冷弯薄壁型钢螺钉连接抗拔性能试验研究

为了研究钢板的材料强度、厚度以及螺钉外直径、内直径、螺纹间距、钻头处直径对冷弯薄壁型钢螺钉连接的拔出破坏模式和抗拔承载力的影响,选取板厚为0.8、1.0、1.2mm的LQ550及板厚为0.8、1.5、2.0mm的S350冷弯型钢,采用不同螺钉参数,进行了287个试件的拔出试验。结果表明：1.0mm及以上厚度板件主要发生螺纹剪切破坏,随着板厚增加,螺纹剪切破坏越明显;0.8mm厚超薄板件主要发生钉孔挤压破坏,且螺钉直径越大、板材强度越低,钉孔挤压变形越显著。螺纹间距对抗拔承载力影响较小,抗拔承载力随着螺钉外直径增加而增大,内直径增大而减小,且二者对超薄板件的影响更大。对于自钻自攻螺钉应采用内直径与钻头处直径的较大值计算抗拔承载力,螺钉钻头处直径越小承载力越大。我国GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中抗拔承载力计算公式对于螺钉连接LQ550高强钢板偏于不安全,尤其对于0.8mm厚的超薄板件。最后,提出考虑钢板材料强度、厚度以及螺钉外直径、内直径、螺纹间距、钻头处直径的设计承载力计算式,其具有较好的适用性和可靠性。