新型冷弯薄壁型钢截面设计及横向载荷的性能研究.pdf

Vo1.21 No.3June.202328工业技术与职业教育Industrial Technology&Vocational Education收稿日期：2022-11-19基金项目：先进轨道车辆“埃及斋月十日城”项目车体关键技术研发（项目编号：20210201054GX），主持人孙军。作者简介：孙 军（1978-），男，吉林长春人，长春市新金享冷弯型钢有限公司中级工程师，主研方向为冷弯薄壁型钢强度结构。新型冷弯薄壁型钢截面设计及横向载荷的性能研究孙 军（长春市新金享冷弯型钢有限公司，吉林 长春 130038）摘 要：为了提高冷弯薄壁型钢的横向受力性能，提出一种省材并且横向承载能力较高的新型冷弯型钢截面结构。主要通过理论分析、模拟仿真以及试验研究分别对 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合型冷弯型钢以及新型冷弯型钢进行横向载荷的性能分析，对受力过程中应力和应变情况进行比较分析。试验结果表明：组合型冷弯型钢其整体性能是这四种冷弯型钢中最好的，相比于 C 型冷弯型钢性能提高了 160%，但是其材料的使用和加工工艺是大大增加的。相比于组合型冷弯型钢虽然其整体性能没有组合型冷弯型钢高，但是其在材料增加 32.3%的基础上，性能相比于 C 型冷弯型钢却提高了 105.1%。相比于组合型冷弯型钢来说更符合节能减排的发展理念，在增加承重能力的同时并没有增加太多的结构整体质量。故本文设计的新型截面冷弯型钢是一种省材并且横向承重能力较高的优质工程构件。关键词：冷弯薄壁型钢；横向载荷；试验研究；凹型截面；仿真分析中图分类号：TU392.1 文献标志码：B 文章编号：1674-943X(2023)03-0028-05SectionalDesignofaNewCold-FormedThin-WalledSteelandPerformanceResearchoftheLateralLoadSUN Jun(Changchun Xinjinxiang Cold Bending Steel Co.,Ltd.,Changchun 130038,China)但是使用组合件也会存在很多弊端，需要将两个已加工好的冷弯型钢构件通过打孔使用螺栓连接的方式结合在一起，此类方法因为有打孔会使原有的受力发生变化而出现应力集中，并且会使材料的使用成倍增加，所以急需设计一种省材并且横向承重能力较高的新型冷弯型钢截面结构。现阶段国内关于冷弯型钢的研究日益增多，从轴向载荷到径向载荷，从动态载荷到冲击载荷以及各种不同截面形状的承载性能研究，越来越多的研究成果使得冷弯薄壁型钢朝着轻便承载性能高的方向发展。何子奇等1利用腹板并合双肢冷弯薄壁型钢压弯构件，设计制作了 22 根构件进行压弯试验，试验与其比值约为 1.64，大大提高了横向承载力全截面值；李子轩2 以 MSC.Marc 和 Deform 为有限元软0 引言冷弯薄壁型钢因其明显的结构优势被广泛应用于轻钢类工业中，而冷弯型钢的横向载荷是研发冷弯型钢技术的核心关键。针对施工情况而言，建筑构件往往会受到重载、撞击、火灾等危险，而如今冷弯型钢在实际的工程建筑中被大量地应用，并且其所占房屋结构的比例也日渐增加，其横向承受的载荷性能成为了近些年科研领域重要研究方向。其中利用 CFS 构件建造的多层建筑和大跨度框架已出现在许多领域，这些结构要求较高的轴向力或弯曲能力，因此，当单个截面无法承受所需的荷载时，将多个构件通过螺钉或焊接连接在一起，形成一个组合式CFS构件，这是目前实践中常见的解决方案。Abstract：In order to improve the lateral mechanical performance of cold-formed thin-walled steel,a new type of cold-formed steel section structure with low material consumption and high lateral load-bearing capacity is proposed.Mainly through theoretical analysis,simulation and experimental research,the performance analysis of lateral load on C-shaped cold-formed steel,lip-shaped cold-formed steel,combined cold-formed steel and new cold-formed steel is carried out,and the stress and strain conditions during the stress process are analyzed.The experimental results show that the overall performance of the combined cold-formed steel is the best among the four cold-formed steels,which is 160%higher than that of the C-shaped cold-formed steel,but the use of materials and processing technology are greatly increased.Compared to the combined cold-formed steel,although the overall performance of the new cold-formed steel is not as high as that of the combined cold-formed steel,its performance has increased by 105.1%compared to the C-shaped cold-formed steel,on the basis of a 32.3%increase in material.Compared with combined cold-formed steel,it is more in line with the development concept of energy saving and emission reduction.While increasing load-bearing capacity,it does not increase the overall quality of the structure too much.Therefore,the new cold-formed steel designed in this study is a high-quality engineering component that saves materials and has high lateral load-bearing capacity.Keywords:cold-formed thin-walled steel;lateral load;experimental research;concave section;simulation analysis第 3 期29图 2 C 型冷弯型钢图 3 唇型冷弯型钢 图 4 组合型冷弯型钢为了试验结果的有效性，在尺寸设计时在相同弯折类型处采用相同尺寸，在控制尺寸的同时方便计算材料使用的比例。四种冷弯型钢的结构尺寸如表 1 所示。表 1 试验构件尺寸1.2 三维模型的建立及仿真模拟本次三维模型使用 SOLIDWORKS 进行冷弯型钢构件模型的建立，横向载荷的受力由 simulation件的平台，分别采用实验和仿真相结合的方法，对C 型钢从板材成形到切断的全过程进行了仿真和实验验证，对成形的工艺参数、剪切工艺参数对成形质量的影响规律展开了系统研究；孙庆东等3基于 P 型管冷弯成型要求，首先运用 COPRA 进行成形工艺设计，然后使用 ABAQUS 进行了全流程成形仿真，最后根据道次的成形面进行了回弹角度的补偿。大多学者关于封闭截面薄壁构件在侧向荷载作用下的有关研究已经相当深入，但是关于开放截面薄壁构件在侧向载荷作用下的有关研究成果却非常少。针对上述现状，本文设计了一种新型冷弯型钢截面，通过理论分析、模拟仿真以及试验研究分别对 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合型冷弯型钢以及新型冷弯型钢进行横向载荷的性能分析，对受力过程中应力和应变情况进行比较分析。研究的内容主要有以下几个方面。1）设计新型冷弯型钢截面形状，确定 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合冷弯型钢以及新型冷弯型钢试验所需的各个结构尺寸以及载荷大小。2）利用 SOLIDWORKS 分别对 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合冷弯型钢以及新型冷弯型钢进行三维建模，并且应用 simulation 对各个模型进行受力分析，对应力和应变情况进行比较分析。3）设计试验，将实际试验数据与仿真结果进行对比，基于仿真结果与试验结果得出不同截面类型对于横向载荷的影响，以及新型冷弯型钢在受横向载荷中的突出性能。1 三维模型的建立及受力仿真分析1.1 新型薄壁冷弯型钢截面设计及试验尺寸确定本文选择了一种截面为凹型的新型截面冷弯型钢，如图 1 所示。本次试验所使用的所有的冷弯型钢均采用镀锌结构钢板 LQ550，其 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合型冷弯型钢截面结构分别如图2、图 3、图 4 所示。图 1 新型冷弯型钢冷弯型钢种类名称h/mm B/mm t/mm l/mm f/mm e/mm a/mm新型冷弯型钢2007012040C型冷弯型钢200701唇型冷弯型钢20070120组合型冷弯型钢2007012010050孙 军:新型冷弯薄壁型钢截面设计及横向载荷的性能研究第 21 卷30工业技术与职业教育进行分析4。本次试验建模尺寸使用上节尺寸数据以及界面类型，冷弯型钢长度采用 1 000 mm，在试验过程中为了模拟在实际建筑中承受的压力和冲击，采用压强为 50 000 N/m2、面积为 100 mm*300 mm 的横向载荷，受力面为冷弯型钢的横梁中间部位。三维模型及仿真结果见图 5 至图 8，为了使模型的变形结果更为明显，设置其变形比例为 100%。图 5 C 型冷弯型钢仿真分析图 6 唇型冷弯型钢仿真分析图 7 组合型冷弯型钢仿真分析图 8 新型冷弯型钢仿真分析仿 真 结 果 表 明：C 型 冷 弯 型 钢 最 大 应 力 为8.266107 N/m2，最 大 应 变 为 7.96410-4；唇型 冷 弯 型 钢 最 大 应 力 为 5.929107 N/m2，最 大应变为 5.06210-4；组合型冷弯型钢最大应力为 3.168107 N/m2，最 大 应 变 为 2.92010-4；新 型 冷 弯 型 钢 4.032107 N/m2，最 大 应 变 为3.75010-4。通过仿真结果可以看出进行仿真的四种截面类型中组合型冷弯型钢的应力表现最好、最大应变最小，其在受横向载荷时的机械性能最好；新型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、C 型冷弯型钢机械性能依次降低。2 横向载荷下冷弯薄壁型钢的试验研究2.1 试验装置考虑本次试验使用重载并且试件可能存在崩坏、飞溅的风险，所以选择在试验楼内的冲击试验区进行，试验区四周设有钢管护栏、顶部设有钢丝网来缓解试件飞溅的风险，试验场地如图 9所示。图 9 实际场地及防护本次试验的试件均按照设计尺寸定制，其横向载荷试验装置，如图 10 所示。试 验 中 使 用 的 数 据 采 集 构 件 有 数 据 采 集仪、应变片和应力传感器5。数据采集仪型号为DH5922，如图 11 所示；应变片为邢台金力传感器元件厂制造的型号为 BX120-3AA，如图 12 所示；应力计为应变式应力传感器，如图 13 所示。图 10 横向载荷试验装置 第 3 期31孙 军:新型冷弯薄壁型钢截面设计及横向载荷的性能研究图 11 DH5922 数据采集仪图 12 应变片图 13 应变传感器2.2 试验过程本次冷弯型钢的横向载荷试验主要包括以下四个方面：试验装置的安装；测试点以及应变片的布置；调试数据采集系统；开始施加载荷并生成数据6。2.2.1 试验装置的安装在试验区安装好本试验特制的 H 型钢支座，支座与试验区场地采用地脚螺栓连接，固定好后将试验所需的各个冷弯型钢按照试验顺序与 H 型钢支座使用螺栓连接，螺栓为 M24，布局如图 14 所示。图 14 构件安装平面图2.2.2 测试点以及应变片的布置为了试验能够更好地反映冷弯型钢在实际应用中的性能表现，其测试点及应变片布置于冷弯型钢上下两侧，其贴片位置如图 15 所示。上侧测试点中 心 分 别 为 10 mm、250 mm、450 mm、550 mm、750 mm、990 mm；下侧测试点中心分别为 10 mm、150 mm、350 mm、500 mm、650 mm、850 mm、990 mm。（a）冷弯薄壁型钢贴片上（b）冷弯薄壁型钢贴片下侧图 15 测试点及贴片位置2.2.3 调试数据采集系统在电脑上打开 DHDAS 软件，根据应变片的放置方式以及传感器的各个参数进行设置和保存。在软件中设置完成后，用轻载轻轻施加在未粘贴传感器处并进行数据采集；对得到的数据进行分析，根据数据判断元件是否正常使用以及元件位置是否合适，若不合适，分析故障原因。2.2.4 开始施加载荷并生成数据在试件安装完毕后，分别对 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合型冷弯型钢以及新型冷弯型钢进行应力施加，施加应力为 15 000 N，如图 16 所示。图 16 装置试验图2.3 试验结果分析经过上述试验过程后分别测得 C 型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、组合型冷弯型钢以及新型冷弯型钢上下两侧的应力值以及应变值，为了方便进行数据第 21 卷32工业技术与职业教育比较，将四种截面冷弯型钢的数据整理至一个图像中进行数据对比，结果如图 17、图 18、图 19、图20 所示。图 17 冷弯型钢上侧应力曲线图 18 冷弯型钢上侧应力曲线图 19 冷弯型钢上侧应变曲线图 20 冷弯型钢下侧应变曲线通过试验数据的采集图像可以看出 4 种冷弯型钢的机械性能按照组合型冷弯型钢、新型冷弯型钢、唇型冷弯型钢、C 型冷弯型钢依次降低。在这 4 种截面的冷弯型钢中，不论是应力还是应变在试件的上下两侧，普通的 C 型冷弯型钢其应力和应变值都是最大的。其中唇形冷弯型钢 C 型冷弯型钢在工艺中多增加了一处弯折，材料相比于 C 型冷弯型钢增加了 12%，其机械性能通过试验及仿真得出相比于C 型冷弯型钢提高了 28.7%；组合型冷弯型钢相比于 C 型冷弯型钢在加工时需要在工件上进行打孔并进进行螺栓的紧固，其加工工艺复杂，材料相比于C 型冷弯型钢增加了 124%，其机械性能通过试验及仿真得出相比于 C 型冷弯型钢提高了 160%；新型冷弯型钢相比于 C 型冷弯型钢在工艺中多增加了两处处弯折，材料相比于 C 型冷弯型钢增加了32.3%，其机械性能通过试验及仿真得出相比于 C型冷弯型钢提高了 105.1%。3 总结通过本次试验结果分析，表明冷弯型钢的截面形状对于冷弯型钢横向的承载能力有很大影响，通过选用合适的冷弯型钢可以有效提高冷弯型钢的机械性能。在本次试验中使用的组合型冷弯型钢其整体性能是这 4 种冷弯型钢中最好的，相比于 C 型冷弯型钢性能提高了 160%，但是其材料的使用和加工工艺是大大增加的。相比于组合型冷弯型钢虽然其整体性能没有组合型冷弯型钢高，但是其在材料增加 32.3%的基础上，性能相比于 C 型冷弯型钢却提高了 105.1%。相比于组合型冷弯型钢来说更符合节能减排的发展理念，在增加承重能力的同时并没有增加太多的结构整体质量。故本文设计的新型截面冷弯型钢是一种省材并且横向承重能力较高的优质工程构件。1 何子奇,杨光,周绪红,等.腹板并合双肢冷弯薄壁 型 钢压弯构件畸变性能试验研究 J.工程力学,2022,39 (11):1-11.2 李子轩.C 型钢的冷弯成形工艺参数分析及成形质量研 究 D.宁波：宁波大学,2017:16-17.3 孙庆东,王传红,池寅生，等.基于 COPRA 和 ABAQUS 的 P 形管辅助设计 J.锻压技术,2016,41(7):129-136.4 徐维佳,宁小美,冯若强,等.新型冷弯薄壁型钢结构钢 皮剪力墙抗侧性能研究 J.钢结构(中英文),2021,36(2):38-46.5 马杰,王卫永,邢永辉,等.装配式刚边框-冷弯薄壁型 钢骨架组合墙体受力性能研究 J.建筑钢结构进展,2021,23(3):23-33.6 刘斌,郝际平,赵淋伟,等.新型冷弯薄壁型钢墙体立柱 轴压性能试验研究 J.工业建筑,2014,44(2):113-117+165.