Q235冷弯薄壁等边角钢压杆承载力计算方法探讨

Discussion on the Caculation Method of Bearing Force for the Q235 Equilateral Angle Steel Compressive Bar with the Cold-Bending Thin-Wall

金胜强1,童露华1,吴树阳1,安鹏飞1,孙德发2JIN Shengqiang1, TONG Luhua1, WU Shuyang1, AN Pengfei1, SUN Defa2（1.嘉兴学院土木工程系，浙江嘉兴314001；2.嘉兴学院结构工程研究所，浙江嘉兴314001）



Q235冷弯薄壁等边角钢压杆承载力计算方法探讨

Discussion on the Caculation Method of Bearing Force for the Q235 Equilateral Angle Steel Compressive Bar with the Cold-Bending Thin-Wall

金胜强1,童露华1,吴树阳1,安鹏飞1,孙德发2
JIN Shengqiang1, TONG Luhua1, WU Shuyang1, AN Pengfei1, SUN Defa2
（1.嘉兴学院土木工程系，浙江嘉兴314001；2.嘉兴学院结构工程研究所，浙江嘉兴314001）

摘 要：在分析比较《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》和《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》条文规定的基础上，结合试验结果，对Q235冷弯薄壁等边角钢压杆承载力计算方法进行了较深入的探讨和分析比对。研究结果显示：采用有效宽度法的我国现行规范GB 50018—2002可以有效地预测Q235冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力，与试验结果吻合良好且偏于安全。

关键词：冷弯薄壁型钢；等边角钢；压杆；有效宽度法；极限承载力

钢结构按型钢轧制方式分热轧型钢结构和冷弯型钢结构。热轧型钢结构又称普钢结构或重钢结构，设计规范是《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》［1］；热轧型钢结构不允许出现局部屈曲，限制截面板件宽厚比。

冷弯型钢结构，又称薄钢结构，属轻钢结构，设计规范为《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）［2］；冷弯型钢结构允许局部屈曲并利用板件屈曲后强度。

冷弯薄壁型钢作为一种可重复利用和环保型建筑材料，已经被大量使用在轻型钢结构体系中，如低层住宅、工业厂房、钢模板、脚手架、桥梁结构、输电线塔等。冷弯型钢构件用相对较少材料承受较大的外载，不是单纯用增大截面面积，而是通过改变截面形状的方法获得。角钢截面广泛应用于塔架结构、格构柱、桁架结构及支撑等结构。

冷弯薄壁等边角钢截面属于单轴对称开口截面，压杆失稳有整体屈曲和局部屈曲两种模式。可能对最小主轴弯曲屈曲，也可能对对称轴弯扭屈曲；可能局部屈曲，也可能畸变屈曲；还有可能发生既有整体屈曲又有局部屈曲。从《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》第5.2.3条规定可以看出，计算截面全部有效的不卷边的等边单角钢轴心受压构件，只考虑了弯曲屈曲，并没有考虑弯扭屈曲和局部屈曲等形式。如果计算截面不是全部有效怎么办呢？究竟哪种失稳模式起控制作用呢？目前还无法找到合适的答案。针对上述问题，本文将在L30×2.0截面Q235冷弯薄壁等边角钢压杆承载力试验的基础上，结合《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》中的计算方法进行理论计算与分析比对，以期寻找出规律，为此类设计提供参考。

1 试 验

冷弯薄壁等边角钢截面尺寸为L30×2.0，压杆试件长度分别为300、500、1 000 mm。截面特性见表1，符号定义见图1。试件加载装置［3］和试件布置示意见图2。试件试验承载力见表2。试件材料为Q235，理论计算取fy= 235 N/mm2，f = 205 N/mm2，E = 206 000 N/mm2。

表1 Q235的截面特性

图1 截面符号定义

图2 加载装置和试件布置示意图

表2 试件试验承载力

2 理论计算

2.1 按《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》规定计算

2.1.1 按第5.2.3条的规定

考虑弯曲屈曲，假定截面全部有效，计算Q235冷弯薄壁等边角钢压杆稳定系数时，其长细比取下式算得的较大值：

lox、loy为构件在垂直于截面主轴x轴和y轴的平面内的计算长度；

ix、iy为构件毛截面对其主轴x轴和y轴的回转半径。

2.1.2 按第5.2.4条的规定

考虑弯扭屈曲，按单轴对称开口截面计算Q235冷弯薄壁等边角钢压杆稳定系数时，其长细比应取按式（2）和下式算得的较大值：

式中：λw为弯扭屈曲的换算长细比；

Iw为毛截面扇形惯性矩；

It为毛截面抗扭惯性矩；

e0为毛截面的弯心在对称轴上的坐标；

lw为扭转屈曲的计算长度，lw=β·l；

l为无缀板时，为构件的几何长度；有缀板时，

取两相邻缀板中心线的最大距离；

α、β为约束系数。

考虑截面全部有效，不同整体屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力N =φAf，见表3。

表3 试件稳定承载力

2.1.3 按第5.6条的规定

对于非加劲板件，有效宽度按下式计算：

式中：b为板件宽度；

t为板件厚度；

考虑整体-局部屈曲相关性（有效截面问题）下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力N =φAef见表4。

be为板件有效宽度；

α为计算系数，取值为1.0；

bc为板件受压区宽度，取值为其板宽；

表4 试件稳定承载力

2.2 按《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》规定计算

2.2.1 按第5.1.2条3的规定

等边单角钢截面绕对称轴的λxz可采用下列简化方法确定：

2.2.2 按第5.1.2条4的规定

单轴对称的轴心压杆在绕非对称主轴以外的任一轴失稳时，应按照弯扭屈曲计算其稳定性。当计算等边单角钢构件绕平行轴（x0）稳定时，可用下式计算其换算长细比λx0z，并按b类截面确定φ值：

式中：

lox0为构件对x0轴的计算长度，ix0为构件截面对x0轴的回转半径。

2.2.3 按第3.4.2条规定

考虑强度折减，按轴心受压计算稳定性，等边角钢乘以系数η为：

式中：λ为长细比，对中间无联系的单角钢压杆，应按最小回转半径计算，当λ＜20时，取λ= 20。

考虑截面全部有效，按《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》相关规定计算稳定承载力，见表5。

表5 试件稳定承载力

3 比较分析

按《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》和《钢结构设计规范（GB 50017—2003）》不同条文规定计算的两端简支冷弯薄壁等边角钢压杆（L30×2.0）极限承载力与试验结果比较见图3。其中N为GB 50018—2002考虑整体-局部屈曲相关性（有效截面问题）下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Nx为GB 50018—2002考虑截面全部有效，对x轴弯曲屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Ny为GB 50018—2002考虑截面全部有效，对y轴弯曲屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Nw为GB 50018—2002考虑截面全部有效，对x轴弯扭屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Nxz为按GB 50017—2003简化方法计算，对x轴弯扭屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Nx0为按GB 50017—2003简化方法计算，对x0轴弯扭屈曲模式下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；N′为按GB 50017—2003简化方法计算，考虑强度折减后的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力；Nt为冷弯薄壁等边角钢压杆的试验承载力。

图3 L30×2.0试件试验结果和不同规范条文的比较

从图3来看，对于两端简支的试件，只有按GB 50018—2002考虑整体-局部屈曲相关性（有效截面问题）下的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力N小于试验承载力Nt，说明此计算方法是安全的。

按GB 50018—2002考虑截面全部有效，当长细比较小时，弯扭屈曲承载力Nw小于弯曲屈曲承载力Ny，说明按GB 50018—2002第5.2.3条的规定计算将会导致不安全。

按GB 50017—2003简化方法计算，只有Nxz和Nw与GB 50018—2002计算结果相近，这是因为对于对称轴计入了纵轴扭转的影响，均考虑了弯扭屈曲。

按GB 50017—2003简化方法计算Nx0时，杆长300 mm和500 mm时承载力无差异，与试验不符。

按GB 50017—2003简化方法计算N′，考虑强度折减后的冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力，杆长越长承载力越高，与试验与常识均不符。

综上所述，对Q235冷弯薄壁等边角钢轴压杆承载力计算应按GB 50018—2002，既要考虑有效截面，又要考虑弯扭屈曲。

4 结 语

结果表明，采用《冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB 50018—2002）》中的有效宽度法，可以有效地预测Q235冷弯薄壁等边角钢压杆的稳定承载力，这与试验结果吻合良好且偏于安全。

参考文献

［1］北京钢铁设计研究总院.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［2］湖北省发展计划委员会.GB 50018—2002冷弯薄壁型钢结构技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2002.

［3］赵胜江，林灏，吕呈，等.Q235冷弯薄壁等边角钢压杆承载力计算方法［J］.山西建筑，2015，41（23）：23-24.

式中：λx、λy为构件对截面主轴x轴和y轴的长细比；

中图分类号：TU392.1

文献标志码：A

文章编号：1008-3707（2016）02-0015-04

收稿日期：2015-11-11

基金项目：嘉兴学院一般和重点SRT项目（851715088）

作者简介：金胜强（1994—），男，安徽安庆人，本科在读。