摘要
完成了703铝合金材料的拉伸试验,得到其力学性能和本构关系。对24根国产703高强轴压角铝构件进行了承载力试验,得到该类构件在轴压作用下的极限承载力和破坏模式。建立了数值分析模型,通过试验结果和数值分析结果的对比,验证了数值模型的正确性。完成大量数值分析,分析了构件长细比和截面规格等因素对构件承载力的影响规律。最后,对比了我国规范公式计算得到的稳定系数和试验实测的稳定系数。结果表明,我国 《铝合金结构设计规范:GB 50429—2007》能有效计算国产703高强轴压角铝构件的整体稳定承载力。
铝合金是一种新型建筑材料,和传统的钢材相比,具有重量轻、强度高、可模性好、延展性好、耐腐蚀性好等优点。铝合金结构在建筑结构工程中的应用十分广泛,如在人行桥、门式刚
由于铝合金弹性模量小,其受压稳定问题尤为突出,故而国内外已有很多学者致力于铝合金轴压构件的研究。早在2000年,沈祖炎
根据《铝合金结构设计规范:GB 50429—2007
目前,国内用于通信和电力的高耸塔架大多采用钢结构,随着科技水平的不断提高,人们一方面希望塔架能向着轻盈、美观的方向发展,另一方面在腐蚀性强的海洋地区或重污染区塔架又能尽量减少维护,在这些方面铝合金材料有着不可比拟的优
试验目的为通过拉伸试验,得到国产703铝合金的常温力学性能。具体力学性能指标包括抗拉强度fu、名义屈服强度f0.2、断后延伸率δ10和断面收缩率ψ。根据《金属材料室温拉伸试验方法:GB/T 228—2010

图1 标准拉伸试样加工图(单位:mm)
Fig. 1 Processing drawing of standard tensile sample(unit:mm)
由于拉伸试样在制作时可能存在尺寸误差,因此在正式试验前对所有拉伸试样的实际尺寸均进行了实测。
所有试验均在万能试验机上进行。试验中采用量程为100 mm 的位移引伸计测量应变。试验时单调加载直到试件断裂,数据采集系统可自动记录荷载、位移数据。根据《金属材料室温拉伸试验方法:GB/T 228—2010》的要求,电子试验机采用位移速率控制,位移加载速率为2.1 mm·mi
部分拉断后的拉伸试样如

图2 拉断后的拉伸试样
Fig. 2 Tensile specimen after breaking

图3 部分拉伸试件的应力⁃应变曲线
Fig. 3 Stress-strain curves of some tensile specimens
根据
前人对铝合金的本构关系已经作了相当多的研究,其中最常用的是Ramberg⁃Osgood(R⁃O)模型。Ramberg和Osgood于1939年提出了采用3个参数描述铝合金本构关系的模
(1) |
式中:E为原点处的弹性模量;n和B为由试验测定的参数。设f0.2为残余应变等于0.002时所对应的应力,则由
(2) |
把
(3) |
由
(4) |
式中:单位为。
本节根据实测的应力应变曲线,拟合得到了拉伸试样的R⁃O拟合曲线,其中硬化指数n的取值采用Steinhardt建议,应变区间为0~2%,选取部分试验曲线如

图4 部分实测应力应变曲线和R⁃O理论曲线的对比
Fig. 4 Comparison of measured stress-strain curve of test piece with R-O theoretical curve
为探究国产703高强铝合金角铝的轴压承载性能,共设计了24根构件,构件截面尺寸取为工程中常见规格,分别为L50×5和L80×6;为了研究长细比对轴压构件承载力的影响,每种截面设置了4种长细比;为减少试验偶然误差,每组设置3个相同构件。由于构件在制作时可能存在尺寸误差,因此在正式试验前对所有轴压构件的实际尺寸进行了实测,构件截面详图如

图5 截面尺寸(单位:mm)
Fig. 5 Section size(unit:mm)
金属构件的屈曲性能通常会受到初始几何缺陷的影响,因此对试验构件进行仔细的几何缺陷测量是角铝轴压试验必不可少的重要环节。
本试验采用LVDT(linear variable differential transformer)直线位移传感器测量构件的初始缺陷。在L型构件外侧表面共选取6条线,每条线上选取7个等间距点的位置进行测量。具体的测量位置如

图6 构件初始缺陷测量线的横截面位置
Fig. 6 Cross-section position of initial defect measurement line of component

图7 部分典型的构件初始缺陷测量结果
Fig. 7 Measurement results of typical initial defects of some members
本试验采用千斤顶单调加载。为了准确模拟双向铰支座,构件两端设置了双向刀口,如

图8 双刀口支座
Fig. 8 Double knife hinge support
试验时将试件两端置于双刀口支座中,为了测得跨中截面处的纵向应变和水平位移,在构件跨中截面布置了一定数量的应变片和位移计。

图9 跨中截面的位移计和应变片布置图
Fig. 9 Layout of displacement gauge and strain gauge across mid-section
本试验中所有构件均采用竖向放置。构件在双刀口支座中几何对中后,先施加较小荷载,然后调整构件位置,使构件跨中截面上各应变片的读数基本一致,则此时已精准对中,然后卸载。
所有构件均采用单调分级加载。以每级0.1Pu(理论承载力)分步施加荷载,每个荷载步施加完成后稳定2~3 min,应变和位移均采用计算机数据采集系统自动采集,待数据采集完成后继续施加下一级荷载。当构件接近极限承载力时,采用缓慢连续加载,构件达到极限承载力之后继续施加荷载,直到构件出现明显的变形,然后开始缓慢卸载直至荷载为零。
对整个试验过程的观测表明,试件在试验过程中能得到较好的控制,703型铝合金轴压构件具有较好的延性和后期承载能力。本试验共计完成国产703高强轴压角铝构件共24件,所有试件的极限承载力和破坏模式汇总于
当构件的长细比较小时,构件发生弯扭失稳;而当构件长细比较大时,构件发生弯曲失稳。在受荷初期,构件的变形和形态变化均不大。对于长细比大的构件,当外荷载增加至极限荷载的80%~90%时,构件开始出现较为明显的整体弯曲;随着外荷载的继续增加,构件弯曲幅度和跨中截面的平面内位移逐渐增大;随后,构件进入破坏阶段,整体弯曲非常明显,直至从两侧刀口支座脱落。对于长细比小的构件,在未破坏前仅能观察到轻微的变形,当加载达到极限荷载后,构件突然于跨中截面处扭转破坏。

图10 典型荷载⁃应变曲线
Fig. 10 Typical load-strain curve
对于长细比较大的试件,加载初期荷载-应变曲线也呈线性变化,当荷载到达极限承载力的80%左右时,跨中截面受压侧的压应变增长的速率逐渐增加,而另一侧的压应变逐渐负增长,构件发生明显弯曲,直至峰值荷载。与弯扭失稳不同的是,弯曲失稳的试件在达到峰值荷载前受拉侧已有明显拉应变。峰值荷载出现后,随着加载的继续进行,应变会显著增加,而荷载则缓慢减小。

图11 典型荷载⁃位移曲线
Fig. 11 Typical load-displacement curve
对于长细比较大的试件,加载初期荷载⁃位移也呈线性变化,当荷载达到极限承载力的80%左右时,构件平面内位移迅速增大, 且平面外位移仍几乎没有变化。与弯扭失稳不同的是,弯曲失稳的试件在达到峰值荷载后,平面内位移始终保持在较低的水平。
本文采用ANSYS软件对国产703轴压角铝构件的极限承载力和破坏模式进行了数值计算。703轴压角铝构件模型采用BEAM188单元建模,构件沿纵向划分为20段。铝合金材料的本构关系采用Ramberg⁃Osgood模
对于长细比较小的弯扭失稳构件,数值模型的破坏模式与实际破坏情况对比如

图12 有限元与试验弯扭失稳形状对比
Fig. 12 Comparison of shapes of FEM and buckling torsional member

图13 弯扭失稳构件荷载⁃位移曲线的比较
Fig. 13 Comparison of load-displacement curves of bending and torsional members and FEM
对于长细比较大的弯曲失稳构件,数值模型的破坏模式与实际破坏情况的对比如

图14 有限元与试验弯曲失稳形状对比
Fig. 14 Comparison of shapes of FEM and bending member

图15 弯曲失稳构件荷载⁃位移曲线的比较
Fig. 15 Comparison of load-displacement curves of bending members and FEM
综上所述,数值分析模型可以准确模拟弯扭失稳的国产703高强轴压角铝构件的极限承载力和破坏模式。
由前文中的试验对比结果可知,数值分析模型可以准确模拟703铝合金轴压构件的极限承载力和破坏模式。为了进一步分析国产703高强轴压角铝构件的屈曲性能,本文建立了大量的数值分析模型,并利用该数值模型针对长细比、截面规格等因素对构件承载力的影响规律进行了全面的分析。
数值模型的部分参数取值如下:铝合金挤压成型过程中的残余应力很小,可以忽略不
在此基础上建立数值模型。共考虑了5种截面规格,取工程中常见的5种规格,分别为L50×5、L80×6、L100×8、L125×12和L160×14。每种截面考虑120个长细比。同时考虑材料非线性和几何非线性的影响,共得到600个数值计算结果,并将计算结果统计整理,绘制稳定系数⁃相对长细比曲线,并与欧拉曲线、规范曲线相对比,结果如

图16 数值分析结果与欧拉曲线和规范曲线对比
Fig. 16 Comparison of numerical analysis results with Euler and code curves
根据我国《铝合金结构设计规范:GB 50429—2007
(5) |
(6) |
(7) |
式(
我国《铝合金结构设计规范:GB 50429—2007》中的曲线计算出的是稳定系数的标准
同理,

图17 试验结果与欧拉曲线和规范曲线对比
Fig. 17 Comparison of test results with Euler and code curves
(1)本文完成了国产703高强铝合金的拉伸试样试验,获得了其物理力学性能和本构关系,结果显示,703高强铝合金的强度和延性都较为优异,其本构关系可以用Ramberg⁃Osgood模型和Steinhardt建议来描述。
(2)完成了24根国产703高强轴压角铝构件承载力试验,得到了该类构件在轴压作用下的极限承载力和破坏模式。结果表明,703高强角铝构件的长细比较小时发生弯扭失稳,长细比较大时发生弯曲失稳。
(3)采用ANSYS软件建立了数值模型,与试验数据相对比后发现,数字化模型能准确模拟国产703高强轴压角铝构件的破坏模式,数值计算得出的极限承载力以及破坏模式和试验结果十分接近。
(4)完成了大量数值计算,试验结果和数值分析结果均表明,我国 《铝合金结构设计规范:GB 50429—2007》的弱硬化铝合金柱子曲线可用于计算国产703高强轴压角铝构件的整体稳定系数。
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