（每日一题）薄壁钢型材的屈曲行为

作者：*，HélderD.*，MarcoLopes,RuiA.Simões,LuísLaím,科英布拉中学，ISISE混凝土抗拉强度定义，土木安装工程系，澳大利亚科英布拉

绪论：

本文进而通过试验和估算研究，阐明一种新型复合柱的轴向特点。评价了新型CF-CFS柱的四种不同构型。具体记录了检测设置和结果，包括承重能力、载荷变型和破坏机制。研究了钢构件(薄壁钢管材)的屈曲行为。解读了水泥支撑薄壁板局部屈曲的改善方式。之外，对试验结果进行了数值模拟和校正。按照-1-1公式，将试验结果与剖析预测结果进行对比，以评价现行规范的有效性。有效截面积也被适于屈曲工况预测，由于使用了4类剖面。结果阐明，依照EN1994-1-1的剖析预测(考虑钢的总截面和屈曲曲线a)，圆形CF-CFS柱是保守的，圆形截面是不保守的。对于圆形CF-CFS柱，考虑钢的有效截面面积和屈曲曲线c时，实验结果与-1-1的设计预测吻合较差。还进行了靠谱性剖析，通过考虑CFS铝材的有效截面积，得出了更靠谱的设计方式。

1.铁管水泥组合柱具备较高的轴向承载力，在结构中得到了广泛的应用。在过去的几三年里进行了大量的试验、分析和数值研究[1-10]。并且，不同的设计规范对这些柱的设计有全面的规定[11-15]。此前的研究主要集中在各类复合柱(CFST)[16-28]。等[29-31]通过试验和数值研究了狭长方形和圆形内圆管水泥双壁板管柱的轴向承载力。它们通过改变深度-长度比来覆盖所有截面等级，并将其结果与EN1994-1-1[15]和ANSI/AISC[12]进行了比较。它们得出推论，ANSI/AISC[12]一般能很精确地预测复合柱的轴向能力。相比之下，-1-1[15]的设计预测对于纤细和特别粗壮的柱是保守的。对于惯量小于50的铁管水泥柱，约束效应可以忽视不计。

Xiong等人[32,33]检测了EN1994-1-[15]方式在计算由高硬度和超高硬度材料制成的长方形铁管水泥轴向能力时的适用性，结果依照EN1994-1-[15]进行了保守预测。

等[34-36]对复合柱的轴向长细限进行了试验和数值研究。它们的结果阐明，初始缺陷振幅的袋子截面更精确的设计预测。之外，它们还对美国标准AS5100(2004)[11]中箱式和方形水泥填充组合柱的有效长度/半径公式进行了更改。Han等[6,37-40]选用试验检测和有限元方式对纤细镀锌铁管水泥柱和不锈钢铁管柱进行了剖析。在屈曲变型和轴向能力之间进行了大量的比较。它们的研究结果阐明，铝制复合柱比不锈钢复合柱表现出更强的挠度行为和更大的后屈曲硬度。[41,42]将冲剪高硬度镀锌管柱的实验结果与-1-1[15]的设计预测结果进行了比较。它们的结果阐明，按照EN1994-1-1[15]的设计预测结果不保守。Lam和[43,44]对方形和圆形镀锌水泥柱进行了试验研究。它们将EN1994-1-1[15]和连续硬度法(CSM)[45]的试验数据与预测的屈曲阻力进行了比较。它们的研究结果阐明，因为CSM对钢的贡献进行了更详尽的评估，然而它更精确地恐怕了轴向能力。之外，等[5,46,47]建议使用有效抗拉硬度(水泥抗拉硬度的折减因子)来减少EN1994-1-1[15]设计预测的精确性。留意，它们推荐的有效抗拉硬度仅适用于抗拉硬度低于50MPa的水泥。

文献中牵涉的研究主要是由均匀钢构件构成的结构形状有限的组合柱。因此，冲剪工字钢建筑工字钢被广泛适于提升彩钢框架(LSF)部委的结构元素。为了逐步扩大CFS解决方案的适用性，作者构建了一种创新的冲剪组合钢(CF-CFS)水泥填充柱[48-52]。使用市售的CFS铝材，CF-CFS组合柱可以装配成不同的几何形状。这些解决方案逐步运用了钢的机械功耗，并且推动了高硬度钢的使用。钢与水泥的组合可以减少结构压缩单元的承载能力。因此，还可以减少结构的耐火功耗和结构安全性。

但是作者研究了CFCFS角柱[48]的抗屈曲功耗，但这些创新配置的狭长柱的结构行为一直欠缺。按照EN1994-1-1[15]，纤细复合柱设计是通过对复合柱截面的塑性阻力施加一个折减因子。该折减系数是依据囊括各类复合材料柱构象和细细的屈曲曲线估算的。因此混凝土抗拉强度定义，EN1994-1-1[15]，更适用于不锈钢组合柱，没有给出水泥填充CFS组合柱的屈曲曲线。因此，薄壁冲剪工字钢(4类截面)的行为受局部屈曲现象控制，而EN1994-1-1[15]中的步骤是基于总横截面积。作者之前的研究[48]阐明，可以用有效面积取代总面积来预测角柱的轴向承载力。但该办法对不同柱细细度的适用性仍需逐步研究。本研究在同心轴向挠度下检测了12个新型CF-CFS组合粗壮复合柱。假定EN1993-1-3[53]为钢的总横截面面积和有效横截面面积，将实验结果与EN1994-1-1[15]的设计预测进行对比。基于屈曲曲线a和c考虑了缺陷诱因。

2.试验活动

2.1.CF-CFS组合截面的几何形状

本研究运用三种CFS剖面，包括C、U和-，生成CFS组合剖面。很多剖面的几何结构如图1所示。所有铝材均选用+Z结构钢成形，双面热浸不锈钢。单独的CFS铝材使用9排自钻紧固件连结，装配成CFS截面。紧固件行宽度为362.5mm，端距为50mm(见图2)。紧固件行宽度是通过初步有限元设计确定的。在最初的有限元设计会考虑了L/4(725mm)、L/8(362.5mm)和L/12(241.6mm)三个宽度。初步研究结果阐明，固定距离为L/8时试件的轴向承载能力低于L/4时的轴向承载能力。因此，在将紧固件之间的距离从L/8减少到L/12时，没有发觉明显差距。最终选择362.5mm(L/8)为最佳宽度和较高的轴向容量。每位紧固件的半径和宽度分别为6.3毫米和45毫米。请留意，大概3毫米的紧固件宽度适于连结CFS板，其余(42毫米)嵌入水泥填充，这或许有助于钢和水泥钢梁之间的复合作用。所有的组合木柱都用轻质水泥填充。

所研究的CF-CFS截面的构象形状如图2所示。完工区的具体状况见表1。

2.2.材料特征

2.2.1.钢

CFS的电学特征是依据ISO6892-1[54]进行拉伸实验确定的。拉伸实验的具体信息，包括设置、制造和读取，都得到了充分的报导[48,55,56]。拉伸试样的挠度-应变曲线如图3所示。电学功耗如表2所示。

2.2.2.水泥

本研究的试件辅以轻质水泥填充。如表3所示，所选轻质水泥由轻级配LECA2-4、轻级配LECA3-8、沙子、水、水泥CEMI42.5R和高效消泡剂(粘水泥-V3000)混和而成。检测了三个150mm×150mm×150mm的标准水泥多面体，以确定抗拉硬度(基于BSEN206-1:2013[57])。三次重复的多面体样品的密度(D)分别为1848、1860和1860kg/m3。因而，平均密度值()为1856kg/m3。

得到三个试样的水泥抗拉立方硬度(，)分别为26.5、31.2、32.8MPa，估算得到水泥抗拉立方硬度(，)的平均值为30MPa。因而，按照EN1992-1-1[58](表3.1)，水泥平均抗拉硬度()、弹性挠度()和水泥抗拉硬度设计值()分别为33MPa、31.476GPa和25MPa。实验结果及电学功耗汇总如表4所示。