冷弯型钢压弯极限承载力试验研究

江 舟

（山东省冶金产品质量监督检验站有限公司，山东 济南 250014）

在我国工业生产制造工艺不断创新的社会发展背景下，冷弯型钢板及其相关衍生材料开始在钢架生产链中广泛使用，尽管此种结构的钢板在应用后取得了一定的工程经验，但相比常规的钢材料制品，其中综合性能仍略显不足。综合冷弯型钢材料的性能分析可知，此种材料具有强度高、脆性大、延展能力弱等特点，根据市场内冷弯型钢的现有应用可知，大部分钢板构件呈现一种开口状，包括“帽”形、“Z”形、“凹槽”形等。此种类型的界面扭曲刚度相对较小，负载能力相对较差，一旦受到外界环境对其的挤压，结构整体极易发生变形[1]。因此，在实际应用中，通常会选择在构件的截面集成一个合箱形构件，用于提高冷弯型钢构件的整体刚度，以此种方式达到一种提升钢材料构件结构承载能力的作用。尽管已有较多的研究者提出，在冷弯型钢材料上集成合箱构件具有一定实用性，但并未有研究者对冷弯型钢在受力状态下的极限负载能力进行分析。因此，仍无法使用承载力性能进行冷弯型钢构件性能的描述，但要满足工业生产与制造需求，还需要相关技术人员深入到与此方面相关的设计研究中，通过多次试验，进行冷弯型钢极限承载力的分析，以此实现冷弯型钢构件在我国金属建材市场内的大规模应用。

1 试验对象与试验方法

1.1 试验对象材料

为了确保此次试验可满足对冷弯型钢压弯极限承载力的检测需求，选择5块冷弯型钢板构件作为试验对象，钢板的平均厚度为10.0mm±0.05mm，构件的设计长度为3.0m±0.10m，其长细比值为80.0的构件有3.0个，剩余2.0个构件的长细比值为60.0。在完成试验所需构件的制备后，为了排除或降低冷弯型钢构件局部屈曲对试验过程的干扰与影响，需要对构件的截面宽厚比进行重构与设定，按照钢结构设计规范及其试验过程中构件的稳定性要求，需要设置冷弯型钢构件截面的宽厚比值在8.0～18.0之间[2]。为了便于后期对试验构件的识别，可将参与此次试验的构件标记为B-1～B-5，同时，在构件原有的测试长度两端增加一段缓冲长度，长度控制在500.0mm范围内，以此种方式避免试验过程中的边缘效应。

1.2 试验构件处理

在完成试验材料的选择后，将冷弯型钢采用火焰切割工艺，对其进行热处理，在此基础上，为其匹配一个相等强度的Q460焊丝，将其与试验构件进行焊接。焊接过程中，采用气体保护装置，按照手工焊接的方式，对其进行加工处理[3]。构件两端增加的500.0mm长度材料需要全熔透焊接，中间部位需要采用半熔透或部分熔透焊接形成。在此过程中，构件的中间部位的焊缝坡口需要控制其深度在11.0mm范围内。为了确保对构件热处理的有效性，需要对焊接处理过程中的相关参数进行调整。相关内容如下表1所示。

表1 冷弯型钢试验构件焊接处理技术要求

按照设定的参数与标准对试验构件进行焊接处理，在此过程中需要对工艺进行优化处理，以此降低或避免试验构件受到初始化挠度的影响发生形变。在完成上述相关处理的基础上，对冷弯型钢构件两端500.0mm长度进行火焰校正，确保两端呈现一种相互平行的状态。以此完成冷弯型钢压弯极限承载力试验的前期准备工作。

1.3 极限承载力试验方案

在完成试验准备工作后，将制备的5.0根试验构件放置在液压处理设备上，此设备的液压最高作用力为1.0×104kN，将冷弯型钢试验构件的上下两端与设备进行对接，并使用半圆柱形状的铰接式支座作为支撑结构。

此次试验的加载过程采用等速与等位移切换模式进行控制，在预加载处理过程中，80.0%的极限承载力采用等速增量控制方式，为了避免在对其施加作用力时试验构件出现突发性弯曲现象，需要将实验操作台放置在一个相对平稳的区域，确保液压速度保持匀速后，在荷载达到极限承载力的80.0%时，将液压设备调整到等速增量控制阶段[4]。试验过程中，当检测到构件的承载力呈现急剧下降趋势，或达到实测承载力的60.0%时，停止液压设备的下压行为，并认为在此种情况下，试验构件已发生破坏，不具备承载能力，停止设备对其的加载处理并将液压设备进行归零处理。

为了确保对试验过程相关数据获取的时效性，在冷弯型钢试验构件长度1/2位置处，安装至少10.0个应变片，通过应变片的形变，监测构件的应变状态[5]。同时，在液压设备及其支撑结构与底座上，需要布设至少15.0个位移针，用于监测构件的轴向变形方向与发生弯曲形变后的挠度，监测点布设方式可参照图1。

图1 冷弯型钢压弯极限承载力试验监测点布设

按照上述图1所示的结构，进行现场试验环境的布置，并在完成与此相关的研究后，按照上文提出的操作流程，对制备的5.0个试验构件执行此次试验。

2 试验结果

在完成此次试验后，收集应变片的传感器得到的数据，对数据进行平均值计算，并将此数据作为试验结果。绘制冷弯型钢构件在持续受力作用下的应力变化曲线。如下图2所示。

综合上述图2所示的应力变化曲线可知，冷弯型钢构件的持续受力达到2500.0MPa时，构件发生应力形变，在持续受力一段时间时，构件应变位移的变化较为均匀，位移长度从0.03增加到0.95。当施加的作用力持续增加时，构件发生断裂，此时构件的压弯承载力急剧下降，应变位移的变化较为缓慢，证明在此种受力情况下的构件已不具备承载力，但整体结构并未失稳。由此可以得出此次试验的最终结论：冷弯型钢构件的极限承载力为2300.0MPa，在超出其极限承载力后，构件存在断裂趋势，但整体结构并未发生明显的失稳现象，证明构件的延展性相对较高。

图2 冷弯型钢构件在持续受力作用下的应力变化曲线

3 试验结果讨论与分析

在完成冷弯型钢构件在持续受力作用下应力变化的综合分析后可知，此种材料制作的构件可承载的负荷作用力相对较高，可以满足实际生产需要。在此基础上，可通过联合构件的方式，进行叠加构件极限承载力的试验分析，经过分析发现，叠加后的构件整体承载力呈现一种上升趋势，根据偏心受压理论，对其叠加后的冷弯型钢构件进行叠加承载力计算发现，整体结构的极限承载力大约提升20.0%。

4 结语

本文开展了冷弯型钢压弯极限承载力的试验研究，通过此次试验发现，冷弯型钢构件的极限承载力为2300.0MPa，在超出其极限承载力后，构件存在断裂趋势，但整体结构并未发生明显的失稳现象，证明构件的延展性相对较高。因此，可以认为冷弯型钢材料符合常规工业生产与制造需求，可广泛应用到市场。但此次试验研究仅从结构的应变角度进行了分析，并未对构件的挠度展开进一步计算，为了掌握冷弯型钢材料的更多性能，仍需要经过后续试验对其进行验证。