纵向变厚度(LP)钢板轧制技术和受弯构件承载性能研究

王元清1,刘晓玲1,刘 明2,班慧勇1,李靖年2

(1.土木工程安全与耐久教育部重点实验室,清华大学土工程系,北京 100084;2.鞍山股份产品发展部,辽宁,鞍山114009)

摘 要:纵向变厚度钢板(LP钢板)是一种新型节约型绿色钢板,可广泛运用于工业与民用建筑、桥梁船舶及其他特种结构当中,其研发和应用对促进结构优化设计,建筑节能减排有重要意义。该文介绍了国内纵向变厚度钢板特殊的轧制与矫直技术,综述了钢板材料力学性能以及翼缘纵向变厚度工形截面简支梁在弹性和弹塑性阶段变形和承载性能的理论、试验和数值分析研究结果,得出了材料性能随厚度变化的规律,提出了翼缘纵向变厚度工形截面简支梁的承载力设计值和正常使用极限状态下变形计算方法。

关键词:纵向变厚度钢板(LP钢板);轧制技术;材料性能;翼缘纵向变厚度工形截面梁;承载力;变形性能;工程应用

经过多年的研究和推广,我国钢结构发展迅速且趋于成熟,在此背景下提高结构性能和实现建筑节能成为了新的发展目标,高性能高利用率的建筑材料、结构性能化设计方法以及新的结构体系是未来的研究方向。

变厚度轧制技术源于20世纪七八十年代日本川崎制铁的MAS平面外形控制方法[1],基于这一生产技术的纵向变厚度钢板(longitudinally profiled steel plate,LP钢板)的生产始于1983年。其后,日本和欧洲等国生产技术逐渐发展,目前已可以生产多种形状的LP钢板。我国变厚度轧制技术起步较晚,20世纪初才开始引进具有变厚度轧制功能的现代化轧机。2009年,邯钢成功轧制国内第一块LP钢板,目前鞍钢通过自主研发与改进已生产了多种规格及厚度的LP钢板[1]。LP钢板这一新型钢板被称为减量化、节约型绿色钢板,已在日本和欧洲等国的桥梁和船舱建造中大量应用[2-4],取得了良好的经济效益,除了大大节省用钢量外,还具有加工安装方便,节省工期等优势。文献[5-8]的研究表明合理运用LP钢板还具有提高结构或构件抗震性能和抗疲劳性能的优势,表现出了广泛的应用和研究前景。

本文基于纵向变厚度钢板在国内生产技术的发展和研究现状,介绍了纵向变厚度钢板相关轧制和矫直技术以及生产流程,阐述其轧制工艺的特殊性对钢板材料性能的影响;为研究钢板材料力学性能和翼缘纵向变厚度工形截面受弯构件在弹性和弹塑性阶段变形和承载性能,笔者采用理论分析,模型试验、有限元分析相结合的技术路线,深入研究纵向变厚度钢板及构件设计过程中的关键问题。

1 纵向变厚度轧制技术和生产流程

1.1 变厚度轧制技术

板件纵向变厚度是通过在轧制过程中不断改变轧制辊缝宽度实现的。相比等厚度钢板轧制过程,纵向变厚度轧制过程中,金属流动规律除与轧件尺寸和材质特征有关外,还受轧制进程的影响。其轧制难点在于轧件沿长度方向和宽度方向各自的延伸量难以精确计算,导致前期坯料选取困难,并且存在变厚度段尺寸偏差较大以及性能稳定性差等多种缺陷。因此,需要通过研究纵向变厚度轧制过程中的金属流动规律,从金属变形和力学条件出发,推导轧制中关键控制参数的计算公式[9]。东北大学杜平[9]通过离散化分段分析得到由轧后长度反算轧前长度的计算方法。鞍钢中厚板部5500 mm产线对纵向变厚度钢板轧制过程中控制参数重新研究开发后,通过多次实践和完善,设计出一套比较精确的坯料模型设计软件[10]

除上述控制参数外,纵向变厚度轧制过程中厚度连续变化的特点导致必须引入轧制位置与厚度控制的多点控制工艺,通过多点设定得到要求的厚度形状曲线。鞍钢中厚板部通过新增的全尺寸测厚仪确定厚度,实现过程厚度信息的实时反馈,以及更新的微跟踪模型实现长度方向的精细控制,及时对模型关键参数进行调整。

鞍钢中厚板部5500 mm宽厚板轧机的计算机控制系统由2级计算机控制系统组成,如图1所示[10]:一级系统为基础自动化系统,包括轧机的辊缝、辊速和轧机液压自动辊缝控制(AGC)系统等各项参数控制;2级系统为过程控制系统,主要包括轧件过程跟踪,轧制道次、压下量等数据自动计算,二级控制系统是MAS平面外形控制轧制中变截面跟踪轧制模型的必要硬件条件。

图1 纵向变厚度轧制过程控制系统框图
Fig.1 Control system block diagram of longitudinal variable thickness rolling process

1.2 具体生产流程

纵向变厚度钢板的生产流程与普通钢板相似,如图2所示[10]。不同之处在于以下四个方面:1) 坯料:根据2.1节所述的关键控制参数,设计特定尺寸和变厚度形状需要的坯料和轧制模型,选取合适坯料,以最大程度的降低损耗;2) 轧制:在轧机有载荷的条件下利用强有力的液压缸辊缝控制系统连续改变辊缝尺寸,使得成品钢板实现设定的厚度变化;3) 控冷:控制冷却过程中需要采用半自动模式,人工对相关数据进行干预调整;4) 矫直:钢板矫直对保证钢板质量意义重大。鞍钢中厚板部开发了专用于纵向变厚度钢板的动态阶梯辊缝矫直法,钢板矫直板形合格率可达到98%以上。

图2 纵向变厚度钢板具体生产流程
Fig.2 The specific production process of LP plate

基于上述轧制工艺和流程,目前鞍钢中厚板部可生产常见建筑用钢牌号下十种规格厚度变化规格的LP钢板,单块钢板最大厚度差40 mm,最大厚度变化率8 mm/m,板厚最小可为10 mm~12 mm,轧制难度随钢板厚度减小而增加。LP钢板沿轧制方向厚度变化规格如图3(a)所示,变厚度段长度可根据需要定制,生产得到的单楔形纵向变厚度钢板实物如图3(b)所示。

图3 纵向变厚度钢板规格
Fig.3 Types of LP plates

2 纵向变厚度钢板材料力学性能试验研究

LP钢板的厚度沿轧制方向连续变化,各个厚度处轧制压缩比不同,单块钢板内材料力学性能与不同位置处厚度相关;此外,根据第1节所述其特殊的生产技术,使得材料力学性能与厚度不是单纯的线性相关而具有特殊性。国外相关研究较少,文献[11]对迪林根钢铁厂和法国钢铁厂生产的常用建筑用钢进行试验研究,得到LP钢板不同厚度处屈服强度和极限强度的计算公式,并得到其冲击韧性和延伸率变化较小的结论;文献[12]对日本NKK钢铁厂生产的LP钢板试验得到相似的性能变化规律,且认为单块钢板内部强度差异可通过控制轧制技术和热处理过程来降低。鉴于纵向变厚度钢板的材料性能受生产水平和工艺的影响明显,对国产LP钢板材料性能研究有着重要意义。

笔者对鞍钢中厚板部试制过程中先后轧制成功的三批单楔形LP钢板进行了试验,包括拉伸、冲击以及厚度方向性能试验,试件取样方式考虑厚度变化、轧制方向以及厚度方向的影响[13],每个同等条件试验组对3个试件进行试验并对结果取平均值,如图4所示。试验概况及试验结果如表1所示,第三批材料性能试验结果如图5所示,可得到以下结论[13]:1) 单楔形LP钢板的强度、冲击韧性、Z向性能均随厚度增加而下降,随厚度增加性能更加稳定,但厚板冲击韧性较差,需特别注意;2) 轧制方向对LP钢板的材性影响较小;3) 厚度方向上不同位置材性基本一致,但厚板时需特别注意;4) 由于GJ系列钢材本身就具有屈服强度波动范围较小的特点,更适用于研制LP钢板。

上述试验得到了国产纵向变厚度钢板材料性能的重要数据,得到了基本变化规律。但是,鉴于上述三批纵向变厚度钢板的数量和规格有限,仅根据上述结果无法得到其准确变化规律和合理的设计强度指标,需要在生产和应用过程中不断积累和补充相关材性数据。

图4 材性试件取样位置示意图
Fig.4 Schematic diagram of sampling position of material specimens

表1 材性试验概况及结果分析
Table 1 Material test overview and analysis of first group

试验批次 第一批 第二批 第三批钢板形状 单楔形 单楔形 单楔形钢材牌号 Q370R Q345GJC Q345GJC厚度变化率/(mm/m) 5.4 7.2、6.8 6.0、7.3、6.5单块厚度范围/mm 48~86 48~84、88~122 12~46、48~86、88~122试验代表厚度/mm 50、60、70、80 50、60、70、80、90、100、110、12012、20、30、40、50、60、80、100、12拉伸 冲击 Z向 拉伸 冲击 Z向 拉伸 冲击 Z向试件个数/个 21 121 12 37 34 24 21 14 18结论 冲击韧性不满足规范;均质性差,整体性能不稳定冲击韧性不满足规范;均质性较差,整体性能不稳定各项指标均满足要求;均质性较好,整体性能相对稳定

图5 第三批试验结果

Fig.5 Test results of the third group

3 翼缘纵向变厚度工形截面受弯构件受力性能研究

翼缘纵向变厚工形截面受弯构件,是将LP钢板用于工形截面梁翼缘,腹板仍为等厚度钢板的一种特殊变截面构件。其设计出发点是优化构件沿跨度方向上各个截面的设计抵抗矩,使之与构件内力分布接近。与根据最大受力截面内力设计得到的普通等截面构件相比,设计更合理,材料更节约,经济效益更高。根据不同加载条件下不同的截面内力分布情况使用不同厚度形状的纵向变厚度钢板,如图6所示。

LP钢板材料性能和几何形状的特殊性对构件受力性能的影响需要进行深入研究。笔者通过理论分析、试验研究、数值分析方法对翼缘纵向变厚度工形截面受弯构件在弹性和弹塑性阶段变形性能和承载力进行研究。

图6 翼缘纵向变厚度工形截面简支梁示意图
Fig.6 Diagram of I-section beam with LP flanges

3.1 弹性变形解析解

由于翼缘纵向变厚度工形截面构件沿跨度方向上各个截面翼缘厚度变化,如图7所示,导致各个截面抗弯刚度和抗剪刚度连续变化,构件整体刚度不可由单一截面刚度表示,等截面梁变形计算公式不再适用。图7中,Fq分别为构件所承担集中荷载或均布荷载,l为构件跨度,α为翼缘厚度变化率,tf0为翼缘最大厚度,tfα为翼缘最小厚度,hb、和tw分别为截面高度、宽度和腹板厚度,其中截面高度h在跨度方向上保持不变。由于截面惯性矩变化,根据挠曲线微分方程直接求解构件变形的方法求解困难。针对其他已有类型的变截面受弯构件,部分学者提出了能量法、等效刚度法等近似计算方法[14],但是这些方法原理复杂,有一定的局限性和误差,不可直接用于本文变截面构件变形计算。

图7 翼缘纵向变厚度工形截面简支梁及内力分布示意图
Fig.7 Welded I- section steel beams with LP flanges and internal force distribution of three typical loading conditions

笔者基于变形体虚功原理,从式(1)出发:

式中:w为跨中位移;wMwQ分别为弯曲变形与剪切变形为单位力作用下的弯矩和剪力;M(x)和Q(x)为外力Fq作用下的弯矩和剪力;EI(x)和GA(x)分别为构件抗弯刚度和抗剪刚度。

运用单位荷载法和直接的数学积分运算,推导得到单点加载、两点加载以及均布加载三种常见加载条件下翼缘纵向变厚度工形截面简支梁跨中竖向位移理论计算公式,公式同时考虑剪切变形的影响,如式(2)~式(5)所示,具体字母含义如图7所示,这组公式是简化变形计算公式的基础。从中可以看出,翼缘纵向变厚度工形截面简支梁变形性能不仅与截面尺寸有关,同时也与翼缘厚度变化率和跨度有关。

笔者通过对上述每种加载方式下共90个不同几何和荷载条件的梁进行有限元数值模拟,以及与试验结果对比,验证了上述理论计算公式的正确性。通过算例分析得到,采用翼缘纵向变厚度工形截面简支梁,构件整体刚度下降,变形增加,但剪切变形所占比例降低;相比最大受力截面尺寸相同的等截面工形截面梁,采用厚度变化率为8 mm/m的LP钢板作翼缘可降低用钢量约25%,同时变形增加15%[14]

3.2 正常使用极限状态变形设计公式

由于3.1节通过理论推导直接得到的弹性变形解析解形式十分复杂,不方便设计人员使用,因此需要简单的变形设计公式。笔者通过理论分析得到由最大厚度翼缘截面尺寸以及构件跨度和翼缘厚度变化率决定的综合几何参数η如式(6)所示,其中字母含义如图7所示,I0为最大厚度翼缘截面惯性矩。

通过理论公式简化和大量算例拟合得到以η为自变量的变形修正系数(其中:m1m2m3为多项式系数,不同加载条件下取值不同,具体数值如图8所示[14]),得到如式(7)所示的简化设计公式,其中wM0为按照最大厚度翼缘截面计算得到的跨中竖向位移。

图8 理论公式计算结果与拟合曲线对比
Fig.8 Comparison of fitting curve with theoretical results.

3.3 承载性能试验

由已有研究综述可知,目前国外关于使用纵向变厚度钢板构件的研究多为数值模拟分析[1,15-16],缺乏真实试验依据。笔者通过对2根LP钢板作翼缘的焊接工形截面梁和2根等截面梁进行足尺试验研究,探究简支边界条件下翼缘厚度变化和不同内力分布对应的厚度变化形式(单点加载和两点加载)下构件承载性能[17],两种加载方式下LP构件几何形状如图6所示。

3.3.1 试验概况

试验在清华大学结构试验室500 t试验机上进行,采用两个150 t MTS千斤顶协同控制加载。为了避免构件发生侧向整体失稳,采用图9所示的侧向支撑装置,约束构件上翼缘的侧向位移。支座采用夹支支座,构件与支座底板接触处设置滚轴,使梁在主平面内可以自由转动,同时限制端部截面扭转变形[17]

图9 试验加载装置
Fig.9 Diagram of experimental setup

图10 试件破坏形态
Fig.10 Failure modes of specimens

试件按照GB 50017—2017《钢结构设计规程》建议的S1级塑性截面进行设计,板件宽厚比满足S1级截面要求,即可达全截面塑性,且充分发挥构件的变形能力。钢材牌号为Q345GJC,单点加载构件BS-1为翼缘变厚度构件(厚度变化率为5.89 mm/m),与等截面构件BS-2用钢量相同,两点加载构件BD-1为翼缘变厚度构件(厚度变化率为5.83 mm/m),与等截面构件BD-2最大受力截面尺寸相同。

3.3.2 构件破坏形态及承载能力

四根构件均在达到全截面屈服荷载后发生明显的板件局部屈曲。BS-1与BS-2在加载点北侧发生明显局部屈曲。BD-1在北侧加载点外侧上翼缘和腹板发生局部屈曲,BD-1跨中上翼缘出现局部屈曲现象。试验构件破坏模式如图10所示。

3.3.3 试验结果分析

试验试件荷载位移曲线如图11所示,极限荷载及变形能力如表2所示,其中PuΔu分别为极限荷载与对应极限位移,Δ1/4u(N)、Δ1/4u(S)分别为构件北端和南端跨度四分之一(或加载点)处极限位移,延性系数RΔ=Δu/Δp 。分析得到以下结论[17]

1) 破坏形态:在保证构件不发生整体失稳的情况下,S1级塑性截面设计的翼缘纵向变厚度工形截面简支梁与等截面梁一样,均在极大变形情况下,发生局部屈曲;

2) 极限承载能力:四根构件均达到了全截面屈服荷载,且全截面屈服后进入强化阶段。由于材料强度提高使得翼缘纵向变厚度梁不仅可以在保证承载力的情况下大大减少用钢量,而且可以获得更大的强度储备;保证材料强度相同及最大受力截面相同的情况下,承载力基本不变;

3) 变形性能:所有构件跨中竖向位移均达到了塑性位移,且位移延性系数均达到5倍以上,变形能力已达到密实截面的要求。

图11 试件荷载位移曲线
Fig.11 Load-displacement curves of specimens

表2 构件极限荷载及变形能力
Table 2 The ultimate load and deformation capacity

构件编号 Pu/kN Pu/pP uΔ/mm BS-1 1542.262 1.304 169.184 BS-2 1138.970 1.327 181.167 BD-1 2078.010 1.414 245.501 BD-2 1744.293 1.291 315.901构件编号 u/p RΔΔ Δ= Δ1/4u(N)/mm Δ1/4u(S)/mm BS-1 5.735 96.519 100.428 BS-2 7.398 98.521 94.759 BD-1 7.379 245.501 225.633 BD-2 10.057 259.465 253.963

3.4 有限元验证及参数分析

笔者运用通用有限元软件ANSYS对四根试验构件进行有限元分析,精确模拟试验支座及侧向支撑等边界条件,并通过合理假设得到用于参数分析的简化模型[18];用于研究翼缘厚度变化率对构件性能的影响。

3.4.1 试验对比验证

试验对比有限元模型根据实测翼缘各个厚度处应力-应变曲线分段定义纵向变厚度翼缘的材料性能;采用班慧勇等[19]提出的统一分布模型,并根据最大截面定义残余应力;根据实测的构件几何初始缺陷修正有限元几何模型;通过接触单元定义构件与侧向支撑之间的摩擦力。分析结果表明,有限元计算结果与试验结果相对误差不超过5%,模型可以准确模拟试验构件的受力过程,有限元模型如图12(a)所示。由于部分试验构件未出现明显下降段,因此在有限元模型中通过位移控制加载方法得到四根试验构件的荷载-位移全过程曲线,直至出现下降段,结果如图11所示,可见有限元模型可以准确模拟试验构件的承载能力。

3.4.2 翼缘厚度变化率影响参数分析

图12 有限元模型约束条件与荷载条件
Fig.12 Boundary and loading conditions of FEM model

根据验证的简化有限元模型,如图12(b)所示,对单点加载和两点加载下(分别对应不同的厚度变化形式,如图6所示),4 m ~16 m的5种跨度,0~8 mm/m的9种厚度变化率下共90个构件进行参数分析,全部构件均设计满足密实截面要求。参数分析模型通过在变厚度翼缘输入相同的材料性能,控制材料性能变化对构件承载性能的影响,仅考虑几何变化的影响。图13为单点加载情况下,跨度为6 m的构件在不同厚度变化率下的荷载-位移曲线(图中编号BS-l-tf0-α,BS表示单点加载梁,l为构件跨度,tf0为最大翼缘厚度,α为翼缘厚度变化率)。图14和图15分别为构件极限承载力与全截面塑性极限荷载比值Fu/Fp和延性系数R随厚度变化率α变化的曲线,可以得到以下结论:

1) 承载能力:全部试件承载力均达到全截面屈服荷载。在最大受力截面与等截面梁相等的情况下,翼缘纵向变厚度工形截面梁的屈服承载力和极限承载力均随着厚度变化率增大而减小,当采用最大厚度变化率8 mm/m时极限承载力与全截面塑性极限承载力比值Fu/Fp降低约20%;

2) 变形性能:全部试件均满足设计的密实截面要求。当最大受力截面相同时,采用纵向变厚度翼缘使梁的延性增加,当采用最大厚度变化率8 mm/m时延性系数R增加约25%。

图13 不同厚度变化率下荷载-位移曲线
Fig.13 Load-displacement curves of specimens under different α

图14 Fu/Fp随厚度变化率变化曲线
Fig.14 Fu/Fp change curve with α

图15 延性系数随厚度变化率变化曲线
Fig.15 R change curve with α

两点加载情况下参数分析结果有类似结论。需要说明的是,由于纵向变厚度钢板材料的特殊性,虽然其全部厚度处均满足相应牌号材料标准的要求,但是厚度最大翼缘处材料屈服强度低于较小厚度翼缘处。由于构件在充分侧向支撑约束的情况下,最终是跨中受压翼缘的局部屈曲导致的承载力下降,屈曲破坏范围相比构件跨度尺寸较小,屈曲范围内翼缘材料性能变化较小,因此,翼缘材料强度变化对构件达全截面塑性前承载能力的影响很小。在实际设计中,按照最大受力截面尺寸和材料强度设计值计算得到的翼缘纵向变厚度工形截面简支梁承载力设计值是偏于安全的。

4 纵向变厚度钢板的工程应用范围与设计建议

4.1 工程应用范围

虽然目前国产LP钢板生产和加工费用略高于普通等厚度钢板,但是利用其特点可使结构安全性、经济型和美观性相结合,达到节省钢材,减少焊缝,降低全寿命周期成本,提高结构综合效益的目的,应用前景十分广阔。在国外,LP钢板主要应用于船只建设和桥梁建设当中,用于优化船只、桥梁等结构的断面设计[1]。国内LP钢板应用较少,仅在鞍钢人才公寓项目的框架梁和新疆其亚锅炉钢结构项目的平台梁、顶板结构梁当中运用,需要进一步的推广。根据LP钢板特性,除可应用于船只及桥梁结构当中,其在多高层建筑、发电厂、工业厂房以及锅炉钢结构等特种结构当中的应用前景也十分广阔,具体应用对象如下。

4.1.1 工业与民用建筑

1) 受弯构件

受弯构件在多高层建筑当中所占比例有60%以上,在其他结构当中同样占有很大比例。如前所述,根据受弯构件内力分布,选择与其内力分布形式接近的LP钢板作翼缘,使构件截面设计更加合理,并在保证构件性能的情况下,大大节省用钢量。根据图7所示内力图,纵向变厚度钢板同样适用于两点加载与均布加载时构件腹板。目前建议应用于简支梁当中,随着研究成熟,可进一步应用于框架梁和连续梁当中,从图3中分别选择规格8或10和规格2,可使构件截面设计力矩与实际内力分布相近。

2) 框架柱

多高层建筑当中,柱从上层到底层受力逐渐增加,因此,工程实际中为了施工方便常将连续几层作为一个建设单元,根据某个单元内部底层柱受力进行统一设计,因而其他层设计结果保守。采用LP钢板,即将柱子按照每层进行离散化,分别进行设计。如图16所示,试算表明,若第一段等截面段高度为50 m,常用截面尺寸3000 mm×3000 mm,采用纵向变厚度钢板将厚度从100 mm变化到80 mm,将节约用钢量约10%。

图16 LP钢板在多高层柱当中的应用
Fig.16 Application in columns of storey/high-rise buildings

除此之外,高层建筑当中相邻两个建设单元柱截面尺寸变化需要拼接时,常采用柱截面高度不变,仅改变翼缘厚度的方法,因此需要在工厂机械加工厚度变化坡度不大于1∶4的过渡段,使用LP钢板可以省去这一工序,过渡平缓,加工简单,如图17所示。同样,可在箱型截面柱中使用变厚度加劲肋,如图18所示。

图17 LP钢板在柱截面过渡段中的应用
Fig.17 Application in transition section in columns

图18 LP钢板在结构构件肋板中的应用
Fig.18 Application in ribs of box-section

3) 框架梁柱节点

梁端翼缘纵向变厚度节点,如图19所示,相较于目前常用的盖板加强型节点,采用LP钢板实现加强板与梁翼缘一体化,无需二次加工,安装加工步骤简单,施工成本降低,且可保证或进一步提高节点性能。

4.1.2 桥梁、船舶与特种结构

1) 桥梁与船舶

图19 梁端翼缘变厚度节点
Fig.19 Joint with variable thickness flanges at beam end

借鉴国外实际工程案例,可应用于桥梁主梁翼缘[4],如图20所示;用于桥墩底部以增加截面尺寸,可提高抗震性能[5-8];可用于桥梁及大型结构当中的次要板件,如加劲肋等。同样,可用于船舱甲板、横隔板以及底板当中[2],如图21所示。

图20 LP钢板在桥梁建设中的应用
Fig.20 Application in bridge construction

图21 LP钢板在船只建造中的应用
Fig.21 Application in ship building

2) 容器类结构

由于容器类结构,如储罐、筒仓等,压强沿其高度方向线性分布,底部大,顶部小,因此可在罐壁使用纵向变厚度钢板,在保证强度的情况下,节约钢材,如图22所示。

3) 塔杆

塔杆结构,如风力发电机柱、输电塔、烟囱等,可利用纵向变厚度钢板的厚度变化特性,将原先变截面杆件,直接成型为外径相同杆件,加工制造更简单,如图23所示。

图22 LP钢板在容器类结构中的应用
Fig.22 Application in storage tanks

图23 LP钢板在塔杆结构当中的应用
Fig.23 Application in pole structures

4.2 翼缘纵向变厚度工形截面简支梁设计建议

通过对SG519《多高层钢结构建筑图集》中推荐的建筑钢结构40种常用截面尺寸进行用钢量及成本计算,考虑构件常用高跨比1/20确定跨度,材料以常用的Q345为例。结果表明,合理设计截面可使构件用钢量节省范围达到10%~30%;同时考虑鞍钢现有LP钢板生产技术相比等厚度钢板成本提高约10%左右,建议在翼缘厚度大于15 mm的截面当中使用,在受力较大构件中可获得更大经济效益。

在实际设计中,建议先按照已给条件对简支梁进行常规设计,然后以最大受力截面尺寸不变为原则将已有设计结果的翼缘替换为纵向变厚度钢板,替换后进一步验算构件变形及板件宽厚比是否满足规范要求。通过由钢材生产厂联合专业加工厂对构件进行二次深化设计,以成品构件的形式供货,最大程度的减小设计和施工单位的额外设计工作量。

需要注意的是,我国GB 50017—2017《钢结构设计规范》当中给出的受弯构件板件宽厚比限值是在板件受力达到临界屈曲应力的情况下推导得到的,对于受力较小部位,如简支梁支座处,采用原有限值过于保守,因此在将LP钢板用于受弯构件翼缘时,建议适当放宽支座处宽厚比限值,更大程度的发挥优势。

5 结论

(1) 纵向变厚度轧制技术是纵向变厚度钢板发展的基础,不断发展和改进轧制工艺是降低生产成本,提高产品质量的基础条件;

(2) 合格且稳定的材料性能是纵向变厚度钢板推广应用的必要保证,鞍钢中厚板部生产的Q345GJC等级纵向变厚度钢板的强度、冲击韧性和Z向性能均随着厚度增加而下降,厚度较大板件性能更稳定;轧制方向对材性影响很小;厚板冲击韧性较差,且厚度方向上冲击功值变化较大;

(3) 材料性能差异和截面刚度连续变化是翼缘纵向变厚度构件与普通等截面构件最直观的差别,通过理论推导、试验研究和有限元分析对单点加载和两点加载情况下翼缘纵向变厚度工形截面简支梁的弹性变形和弹塑性承载性能进行了全面分析。按照最大受力截面尺寸和相应牌号材料强度设计值计算得到的翼缘纵向变厚度工形截面简支梁承载力设计值偏于安全,但是需要对其正常使用极限状态下变形进行验算,按照密实截面设计的构件延性均满足要求;

(4) 纵向变厚度钢板有着广泛的应用前景和发展潜力,目前最直接的应用是对已有等截面构件进行等效替换,在不影响构件承载性能的前提下,最大程度地降低构件用钢量。

参考文献:

[1]刘晓玲, 王元清, 王玉银, 等.纵向变厚度(LP)钢板的工程应用和研究进展[J].工业建筑, 2015, 45(增刊):1027-1035.Liu Xiaoling, Wang Yuanqing, Wang Yuyin, et al.Review of structural application and research of longitudinally profiled steel plate (LP steel plate) [J].Industrial building, 2015, 45(Suppl): 1027-1035.(in Chinese)

[2]Shinichi S, Ryuji M, Tadashi O, et al.Steel products for shipbuilding [J].JFE Technical Report, 2004, 2: 41-48.

[3]Fukumoto Y, Nagai M.Steel bridges: new steels and innovative erection methods [J].Progress in Structural Engineering and Materials, 2000, 2: 34-40.

[4]Okano S.High performance steels for bridge construction and examples of their application [J].Welding International, 2008, 22(11): 746-754.

[5]Aoki T, Takaku T, Fukumoto Y, et al.Experimental investigation for seismic performance of framed structures having longitudinally profiled plates [J].Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(7):875-881.

[6]Takaku T, Fukumoto Y, Aoki T, et al.Seismic design of bridge piers with stiffened box sections using LP plates[C].13th World Conference on Earthquake Engineering.Vancouver, B.C., Canada: Canadian Association for Earthquake Engineering; International Association for Earthquake Engineering, 2004, Paper no.3224.

[7]Fukumoto Y, Uenoya M, Nakamura M, et al.Cyclic performance of stiffened square box columns with thickness tapered plates [J].Journal of Steel and Structures, 2003, 3(2): 107-115.

[8]Ikeuohi T, Nose M, Nishimura N, et al.Improvement of earthquake performance of steel bridge piers using tapered plates [C].Proceeding of the 1st International Conference on Steel & Composite Structures.Pusan,Korea: Techno-Press, 2001: 1557-1564.

[9]杜平.纵向变厚度扁平材轧制理论与控制策略研究[D].沈阳: 东北大学, 2008.Du Ping.Research on rolling theory and control strategy for longitudinally profiled flat steel [D].Shenyang:Northeastern University, 2008.(in Chinese)

[10]丛津功, 李新玲, 李靖年, 等.纵向变厚度(LP)钢板轧制技术研究[C].中国金属学会第十一届中国钢铁年会论文集.北京: 中国金属学会, 2017: 1-6.Cong Jingong, Li Xinling, Li Jingnian, et al.The research of longitudinally profiled (LP) plate rolling technology [C].Proceedings of the 11th China iron and steel annual conference.Beijing: The Chinese Society for Metals, 2017: 1-6.(in Chinese)

[11]Richter K, Schmackpfeffer H.Longitudinally profiled plates cut costs [J].Joining & Materials, 1988, 11: 270-273.

[12]Fukumoto Y, Takaku T, Aoki T, et al.Innovative use of profiled steel plates for seismic structural performance[J].Journal of Advances in Structural Engineering, 2005,8(3): 247-57.

[13]王元清, 刘晓玲, 刘明, 等.纵向变厚度(LP)钢板力学性能试验研究[J].钢结构, 2017, 4(32): 16-21.Wang Yuanqing, Liu Xiaoling, Liu Ming, et al.Experimental Research on mechanical properties of longitudinally profiled steel plate [J].Steel Structure,2017, 4(32): 16-21.(in Chinese)

[14]Yuanqing Wang, Xiaoling Liu, Huiyong Ban, et al.Deformation behavior at SLS of welded I-section steel beams with longitudinally profiled flanges [J].Journal of Constructional Steel Research, 2018, 146: 122-134.

[15]Murakami S, Nobuo N.Ultimate strength evaluation of tapered plate in compression [C].5th International Colloquium on Stability and Ductility of Steel Structures.Nagoya, Japan: Elsevier, 1997: 133-140.

[16]Takuji K, Kunitomo S, Takashi Y.Performance of thin-walled steel structures by longitudinally and transversely profiled steel plates [C].IABSE Symposium Report.Weimar, Germany: International Association for Bridge and Structural Engineering, 2007, 93(1): 549-556.

[17]王元清, 刘晓玲, 刘明, 等.翼缘纵向变厚度工型截面梁变形性能试验[J].哈尔滨工业大学学报, 2017,49(12): 24-31.Wang Yuanqing, Liu Xiaoling, Liu Ming, et al.Experimental study on deformation performance of I-section beam with longitudinally variable thickness flanges [J].Journal of Harbin Institute of Technology,2017, 49(12): 24-31.(in Chinese)

[18]王元清, 刘晓玲, 刘明, 等.翼缘纵向变厚度工型截面简支梁承载性能有限元分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2017, 33(3): 385-392.Wang Yuanqing, Liu Xiaoling, Liu Ming, et al.Finite element analysis on bearing behavior of I-section beam with longitudinally variable thickness flanges [J].Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science), 2017,33(3): 385-392.(in Chinese)

[19]班慧勇, 施刚, 石永久.高强钢焊接构件工字形横截面残余应力试验及统一分布模型研究[J].工程力学,2014, 31(8): 83-91.Ban Huiyong, Shi Gang, Shi Yongjiu.Experimental and unified model investigations on residual stress within high strength steel welded I-sections [J].Engineering Mechanics, 2014, 31(8): 83-91.(in Chinese)

ROLLING TECHNOLOGY OF LONGITUDINALLY PROFILED STEEL PLATE (LP STEEL PLATE) AND BEARING CAPACITY OF LP FLEXURAL MEMBERS

WANG Yuan-qing1 , LIU Xiao-ling1 , LIU Ming2 , BAN Hui-yong1 , LI Jing-nian2
(1.Key Laboratory of Civil Engineering Safety and Durability of China Education Ministry,Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2.Product Development Department, Anshan Iron & Steel, Anshan, Liaoning 114009, China)

Abstract: Longitudinally profiled steel plate (LP steel plate) is a new type of green-saving steel product which could be widely used in industrial and civil buildings, bridges and other special structures.Its research and development have a great significance for structural optimization design and energy conservation in construction.The unusual rolling and straightening technology of LP steel plate is briefly introduced.The recent researches of Tsinghua University on material performance and component bearing capacity are comprehensively reviewed,which were studied by theoretical analysis, experimental and numerical simulation.The variation of material mechanical properties is concluded.The design methods of I-section beam with longitudinally variable thickness flanges for bearing capacity design value and deformation behavior at serviceability limit state are proposed.

Key words: longitudinally profiled steel plate (LP steel plate); rolling technology; material property; I-section beam with longitudinally variable thickness flanges; bearing capacity; deformation performance;engineering applications

中图分类号:TU391

文献标志码:A

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.06.ST02

文章编号:1000-4750(2019)11-0001-12

收稿日期:2018-06-14;修改日期:2018-12-18

基金项目:国家重点研发计划子课题项目(2018YFC0705503)

通讯作者:王元清(1963―),男,安徽霍山人,教授,博士,主要从事结构工程研究(E-mail: wang-yq@mail.tsinghua.edu.cn).

作者简介:

刘晓玲(1995―),女,山西忻州人,博士生,主要从事结构工程研究(E-mail: liuxiaoling950718@163.com);

刘 明(1980―),男,辽宁鞍山人,高工,硕士,主要从事建筑用钢及工程机械用钢研究(E-mail: 13898006025@163.com);

班慧勇(1985―),男,内蒙古呼和浩特人,助理教授,博士,主要从事结构工程研究(E-mail: banhy@tsinghua.edu.cn);

李靖年(1984―),男,甘肃靖远人,高工,本科,主要从事钢材中厚板生产工艺研究(E-mail: angang_ljn@126.com).

注:该文在第27届结构工程学术会议(2018 西安)应邀作特邀报告