热轧等边角钢柱试验结果及分析

由于截面的单轴对称性，热轧等边角钢受压构件的整体失稳会出现弯曲和弯扭两种模态。试验根据位于试件中间高度处测量横向变形的测点1-3 和1-4（图3-3 和图3-6）的位移计测量结果，来研究 Q420 热轧等边角钢构件在轴压作用下的失稳变形过程。图3-7的横向变形曲线较为典型，基本代表了所有试件的失稳变形特征，即除长细比最大的3 个试件A160-120-1、2、3 的失稳模态为绕截面弱轴的弯曲失稳外（如图 3-7b 所示），其余所有试件均为弯扭失稳（如图3-7a 所示）。对于不同截面板件宽厚比的试件，其变形特征略有差别。

所有试件失稳破坏后的形态如图 3-8 所示。总体上 Q420 热轧等边角钢轴心受压柱的失稳模态呈现如下特点∶

（1）除长细比最大的3 个试件 A160-120-1、2、3 外，其他试件失稳破坏后的弯曲变形均不明显，都有较明显的扭转变形，如图3-8（a）所示。

（2） 对于较短柱试件（绕弱轴长细比λ。=30、40、50），扭转变形大多集中在试件中部区域，如图3-8 （b）所示。

（3）对于长柱试件（绕弱轴长细比λ，=60、80），大部分在靠近端部位置出现扭转变形，如图 3-8 （c）所示，这可能是由于构件的几何初始缺陷以及加载设备的端部约束条件导致的。

图3-9（a）为试验结果与我国《钢结构设计规范》 GB 50017—2003 设计曲线的对比。可以看出，试验结果明显高于热轧等边角钢轴压构件所属的b 类设计曲线，平均高出44.0%;比最高的 a类曲线平均高 25.8%; 大部分试验数据接近于欧拉曲线，部分数据甚至超过欧拉曲线。这主要是由干我国 《钢结构设计规范》 规定角钢轴心受压构件的整体稳定设计必须考虑弯扭屈曲，给出的弯扭屈曲实用计算方法是把按弹性稳定理论计算所得的弯扭屈曲临界力直接换算成长细比较大的等临界力的弯曲屈曲杆件，采用换算长细比并根据柱子曲线计算相应的稳定系数。这一换算过程按弹性考虑，并没有直接考虑初始缺陷的影响，而是间接通过柱子曲线来考虑（因为柱子曲线本身考虑了缺陷的影响）。这意味着换算过程把弯扭屈曲构件的几何初始缺陷和残余应力的影响效应等同于弯曲屈曲构件，但事实上并非如此，其缺乏严密的理论依据。试验中出现稳定系数超过欧拉曲线的现象，很有可能是因为规范计算得到的换算长细比过大。

图 3-9（b）为试验结果与欧洲钢结构设计规范 Eurocode 3 EN 1993-3-1 设计曲线的对比。可以看出，试验结果明显高于对应的 b 类设计曲线，大部分试验结果的稳定系数甚至大于1.0。可能的原因有两个∶ 一是欧洲规范考虑板件局部屈曲的折减效应，对于单角钢轴压构件过分保守，导致折减过度，有效截面面积过小，试验整体稳定系数计算值超过 1.0。二是欧洲规范同时考虑了板件局部屈曲折减效应和构件的弯扭失稳，后者通过计算正则化长细时采用相应的屈曲模态弹性临界力考虑; 这种设计理论会导致设计值过低、设计结果过分保守，因为对于单轴对称的等边热轧角钢柱，板件局部屈曲和构件整体弯扭失稳是等效的，二者不宜重复考虑。

图 3-9（c）为试验结果与欧洲塔桅钢结构规范 Eurocode 3 EN 1993-3-1设计曲线的对比。可以看出，试验结果仍明显高于对应的 b 类设计曲线，且大部分高于1.0。该规范与 EN 1993-1-1 的设计公式相同，但采用板件局部屈曲的折减系数涵盖构件整体扭转失稳的影响，即没有重复考虑板件局部屈曲和构件弯扭失稳。由于板件的局部屈曲折减方法本身对于单角钢轴压构件过于保守，有效截面面积计算值偏小，导致试验结果的整体稳定系数计算值远大于1.0。

图3-9（d）为试验结果与美国规范 ANSI/AISC 360-10 设计曲线的对比。不同截面尺寸的板件宽厚比折减系数 Q 不同，图中给出了6 种截面考虑板件局部屈曲折减效应后对应的设计曲线。可以看出，试验结果随长细比的变化趋势与规范设计曲线一致，前者平均高于设计值 13.1%，且所有试验数据均在曲线之上。这主要是因为对于轴压单角钢柱，该规范并没有考虑弯扭失稳的影响，只考虑了板件局部屈曲影响的折减，同时后者计算公式较合理。

图3-9（e）为试验结果与美国输电铁塔规范 ASCE 10-97 设计曲线的对比。该规范与美国钢结构设计规范 ANSL/AISC 360-10 的设计方法—样，但计算公式中具体的系数取值略有差别。从图中对比可以看出，设计曲线能够很好地预测试验结果的变化趋势，后者平均比设计曲线高出4.4% ; 但部分试验数据小于相应的设计值，最多的小于8.3% ，可能的原因主要是构件的初始缺陷过大。

上述研究表明，我国和欧洲现行钢结构设计规范对于单角钢轴压构件的设计方法过分保守。为了提出更合理的设计建议，本节归纳了国外其他学者获得的单角钢（屈服强度约为 250MPa）轴压构件试验数据，如图3-10 所示;图中正则化长细比λ，根据试件绕弱轴的弯曲长细比λ.计算得到。Bjorhovde 提出了用线性关系表达整体稳定系数与长细比之间关系的可能性，同时指出需要更多的试验和理论验证。从图 3-10（a）可以看出，线性拟合是不合理的，这主要是由于不同强度等级钢材、截面尺寸以及初始缺陷等因素的综合影响。