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摘要
为解决冷弯型钢构件的各种失稳问题，许多国家研究人员为致力于开发新型截面剖面做出了很多贡献，其中他们发现截面几何形状对提高冷弯型钢构件抗过早屈曲的固有抗力起着至关重要的作用。然而，形成这种创新形状的过程不仅复杂和耗时，有时也无法调动其全部的储备力量。为此，他们提出了利用弱区来调动未开发后备力量的加固方案。通过实验和数值计算，并与现有规范进行了比较，研究了这种简单、有效、部分加筋的结构对消除/延迟局部过早屈曲做出了杰出的贡献。对不同简支冷弯型钢在四点荷载作用下加筋布置进行了试验研究。采用等效热轧钢梁对冷弯型钢的效率进行了比较。研究的冷弯型钢具有不同的宽厚比、不同的几何形状和不同的加筋布置。对试验强度、破坏模式、变形形态、荷载与跨中位移及几何缺陷进行了测量和报告。并将梁模型的试验强度与北美标准和欧洲规范预测的冷弯型钢结构的设计强度进行了比较。为进一步验证试验结果，利用ABAQUS有限元软件对此类加筋冷弯型钢进行了数值研究。结果表明，该加固体系经济有效，可使冷弯型钢梁达到较大的承载能力。
介绍
在大多数发展中国家，结构设计师在设计快速轨道和高性价比结构系统方面面临着的全球竞争，因为他们需要满足各种基础设施系统的巨大需求。这种发展对能否使这些国家达到全球生活水平至关重要。为此，冷弯型钢(CFS)截面不仅为经济有效的结构体系提供了最佳选择，而且为所需的快速施工提供了理想的选择(Anbarasu和Sukumar, 2013, 2014)。任何结构的主要构件都需要有足够的安全性，以避免灾难性或完全倒塌，因此对这些重要构件采用热轧型钢是不可避免的，因为热轧型钢具有良好的抗过早屈曲性能，在结构方面非常合理。但是，采用热轧型钢为中等到轻型构件，如楼板梁和檩条，通常仍未得到充分利用((Keerthan et al., 2014; Wang et al., 2014; Wang 和 Young, 2016）此外，由于轧制截面在市场上的可用性有限，优化设计技术并没有取得丰硕的成果(Subramanian and Venugopal(1977)。这使得如此珍贵的建筑材料在有限的储备下得到了非常谨慎的使用。鉴于钢作为一种理想的建筑材料是具有一定挑战性的而且是非常重要的，所以最有效地利用这种重要的建筑材料是非常重要的(Valsa Ipe et al.， 2013)。CFS提供了一个理想的选择，以避免这种浪费钢材。与热轧不同，冷成形工艺允许生产无形状限制，可以有效地满足所需。一般情况下，CFS构件各构件的宽厚比较高，因此在中等压应力水平(远低于屈服应力)下容易发生过早屈曲。这一问题可以通过开发具有固有抗过早屈曲和/或在脆弱部位适当加强布置的创新截面剖面来有效地解决。以往的研究主要侧重于创新板块的发展。在过去的十年中，由于制造技术的进步，为了获得经济有效的截面剖面，许多人尝试改变构件的截面(Hancock, 2016;Scfaher,2011)。SudhirSastry(2015)开展了一项数值研究，研究不同翼缘配置对CFS通道梁屈曲的影响。结果表明，与有下降法兰的梁相比，有扩展开法兰和圆形法兰的梁具有更大的临界屈曲力矩。Obst(2016)对带有单箱和双箱法兰的非标准槽梁的性能进行了试验研究。双箱梁比单箱梁具有更高的承载力。研究还发现，加固梁的性能优于未加固梁。Ye(2018)对CFS通道梁截面进行了优化研究，以获得更高的耗能和延性。研究发现，将中间腹板和翼缘加强筋与细长槽梁相结合，可显著提高其耗能能力。然而，在更坚固的通道梁中，这种加强筋的引入没有帮助。相反，增加横截面深度和减小翼缘宽度有助于获得更高的能耗能力。Paczos和Wasilewicz(2009)测试了由单一钢板制成的反对称CFS Ibeam截面。结果表明，在跨中受集中力作用时，梁的稳定性迅速下降。此外，唇形梁的临界载荷高于那些正常形状的梁。Trahair和Papangelis(2018)研究了波纹腹板空心法兰梁的横向畸变屈曲。研究发现，空心法兰的变形降低了其扭转刚度和横向屈曲阻力。然而，腹板的波纹有助于防止腹板变形，并显著降低横向屈曲阻力，这通常是观察得到的梁与扁腹板。Lai (2015)进行了一系列试验，研究了具有sigma;剖面的CFS梁在环境和高温下的弯曲行为。结果表明，腹板加劲肋在高温作用下的性能不同，其性能取决于截面剖面。轴向无约束梁的性能优于有约束梁。在环境温度相同下，比较不同张力，极有可能出现过大的不均匀压缩应力分布。Ye(2016)开展了一项数值研究，以开发柔性下更高效的CFS通道截面。通过优化平板的相对尺寸和唇形的倾斜度，可使弯曲阻力提高近30%。双折唇形可显著提高抗弯性能，而中间腹板加劲肋不一定能提高抗弯性能。充分设计的CFS通道梁截面有可能达到其塑性弯矩容量(Kumar和Sahoo, 2016)。Siahaan等人(2016a)研究了新型矩形空心法兰槽梁，以开发能够延迟其屈曲破坏的最优截面。Dar et al. (2015a)研究了各种新型CFS梁截面受弯情况，以寻找传统热轧型钢的理想替代品。Wang和Young(2015)进行了实验和数值研究，研究了组合开闭截面在屈曲作用下的局部屈曲和/或畸变屈曲行为。所有这些研究表明，创新的型材成功地推迟了CFS梁的屈曲破坏;然而，形成这种复杂剖面的创新部分的过程需要大量的时间和精力，因此使这一过程非常困难和费时。适当加强脆弱区是一种有效的替代解决方案,它可以消除/缓解过早屈曲(Laıet al ., 2013;Paczos, 2014;Moen et al.， 2013)。因此，迫切需要制定合理的加筋方案，使其能够有效地应用于简单的CFS截面，克服早期屈曲破坏的复杂问题，从而使CFS施工快速、简单、高效。本研究的主要目的是对不同的材料进行简单的屈曲阻力实验研究。然而，腹板的波纹有助于防止腹板变形，并显著降低横向屈曲阻力，这通常是观察到的梁与扁腹板。Laıacute;m et al。(2015)进行了一系列试验，研究了具有sigma;剖面的CFS梁在环境和高温下的弯曲行为。结果表明，腹板加劲肋在高温作用下的性能不同，其性能取决于截面剖面。轴向无约束梁的性能优于约束梁。在环境温度下，不同的张力，极有可能出现过大的不均匀压缩应力分布。Ye等(2016)开展了一项数值研究，以开发柔性下更高效的CFS通道截面。通过优化平板的相对尺寸和唇形的倾斜度，可使弯曲阻力提高近30%。双折唇形可显著提高抗弯性能，而中间腹板加劲肋不一定能提高抗弯性能。完美设计的CFS通道梁截面有可能达到其塑性弯矩容量(Kumar和Sahoo, 2016)。Siahaan等人(2016a)研究了新型矩形空心法兰槽梁，以开发能够延迟其屈曲破坏的最优截面。Dar et al. (2015a)研究了各种新型CFS梁截面受弯情况，以寻找传统热轧型钢的理想替代品。Wang和Young(2015)进行了实验和数值研究，研究了组合开闭截面在屈曲作用下的局部屈曲和/或畸变屈曲行为，所有这些研究表明，创新的型材成功地推迟了CFS梁的屈曲破坏;然而，形成这种复杂剖面的创新部分的过程需要大量的时间和精力，因此使这一过程非常困难和费时。这些试验将弥补关于这种结构形式缺乏实验数据的不足，并作为将要建立的数值模型的数据库。同时，他们还对一种等效的控制钢梁进行了试验，比较了这些CFS梁的效率和结构性能。所研究的CFS梁具有不同的宽厚比、不同的几何形状和不同的加劲布置。本文对试验强度、破坏模式、变形形态、荷载与跨中位移及几何缺陷进行了测量和报道。将梁模型的试验强度与北美规范和欧洲规范预测的CFS结构的设计强度进行了比较。为了验证试验结果，还利用有限元软件ABAQUS对CFS梁进行了数值研究。
试验研究
为了达到本研究的明确目标，我们制作了四个CFS梁模型，并对其进行了适当的加筋和不加筋处理。测试的CFS梁由两个通道段组成，这两个通道段由直径5毫米和4.6级的黑色螺栓背对连接。两排螺栓的中心距沿深度为100毫米，中心距沿梁长为200毫米，如图1所示。为了比较所提出的加筋方案的效率和有效性，对某一锚杆钢截面进行了试验。所有模型的尺寸细节如表1所示。采用数字游标卡尺测量模型各部件的尺寸。各种模型的细节制作和测试如下。
模型一:无加劲模型。图2(I)所示为该模型的截面几何形状，该模型由采用背对背螺栓连接的两唇形沟道截面组成。只有2毫米厚的冷成形薄板已用于该模型的制作。模型各单元的标称尺寸和实测尺寸如表1所示。所有梁的跨度均为2.1米。
模型二:角加劲模型。在模型I的试验过程中，在较低的加载量下，发现压缩侧局部唇曲破坏。因此，高弯矩区受压区域的有效加筋可以有效地抑制局部屈曲，从而显著提高结构性能。因此，模型II是模型I的修改版本，通过附加两个控制角加强筋(25 3 25 3 5)来加强，如图2(II)所示。该热轧角加强筋设置在高弯矩区下梁的中心1.5 m处。采用屏蔽金属电弧焊工艺将角钢加劲肋焊接到受压法兰唇内侧。模型II的其余细节与模型I保持严格一致，以研究模型II中提出的变化对改进的贡献结构的性能。模型II中采用的热轧角加强筋尺寸如表2所示。
模型三:无加劲最轻模型。鉴于实现钢铁经济的重要性，认为适当的做法是用尽可能薄的钢板制造较轻的模型。因此，制作了具有对称I形的模型III(采用与模型I相似的背对背双唇形沟道截面)，制作过程简单，如图2(III)所示。该模型只使用了厚度为1mm的冷弯板料。
模型四:加筋最轻模型。在模型III的试验过程中，在高弯矩区发现压缩侧局部的唇形失稳(与模型I相似)。再次预计，在压缩区加强法兰唇本来可以防止/推迟这种破坏。因此，采用如图2(IV)所示的小通道截面对受压法兰唇进行加劲，制作了模型IV，是模型III的修改版本。采用4.6级5mm黑色螺栓将小通道段螺栓连接到梁的受压法兰上。对于每个小通道加劲肋，沿长度设置一排中心距为150毫米的螺栓。通过发展结构高效的CFS梁段，钢的经济性是主要考虑因素。然而，同样重要的是要从结构性能的考虑来评估这些建议的CFS部分。因此，选择模型V即ISMB-150(热轧型钢截面)作为参考模型，与各种CFS梁模型进行有意义的比较。ISMB150的尺寸如表3所示。
材料性能
测试用当地可用的结构钢制作。通过拉伸试验确定了该材料的力学性能。由于模型的制作采用了两类钢板厚度。从每片板的纵向法兰中心制备了三张优惠券。现有各种标准规定了拉伸试样的测试要求。但是，这些优惠券的尺寸符合印度标准(IS1608:2005)，用于材料测试。采用计算机通用试验机对试样进行拉伸试验。由材料试验得到的钢的相关材料性能如表4所示。本研究中使用的CFS的典型应力-应变曲线如图3所示。由于模型二采用热轧角钢，所以有三张拉伸试验卷从角度的平部沿纵向部制备。该热轧角钢的相关性能如表5所示。测试前，测量初始整体几何缺陷。在中心附近的下翼缘腹板节点沿纵向和横向测量了缺陷。利用光学经纬仪和校准的游标卡尺获得模型中长和两端附近的读数。图4给出了沿模型两个正交方向测量的中长缺陷(图4)表6所示。在d1和d2方向中长度处测得的最大几何缺陷分别为1/ 2167 mm和1/2131 mm，在模型III中发现。在d1和d2方向上测得的中等长度的几何缺陷最小值分别为1/ 4112和1/4346。作为对比，Yuan(2015)测量的最大和最小缺陷的大小分别为1/100和1/ 4856。模型试验在500kn承载框架上进行，如图5所示。采用500kn的液压加载千斤顶在刚性吊具梁上传递荷载，保证四点加载，如图6所示。采用0.01和75毫米行程最小的千分表记录垂直位移。尺寸相同的轴承板将150mm 3150mm 315mm置于集中加载点下，防止冲孔失效。为了防止腹板在集中荷载作用下发生屈曲，在模型两侧的腹板上紧固了由两个角ISA 503,503,6 (sp6 -1:2003)组成的支承加强筋。采用一端铰接另一端铰接的简支端条件，如图6所示。弯矩跨度在横向上是不受约束的。为评估加劲布置对结构性能的有利影响，必须确保各种参数的严格一致性，包括梁的跨度、支承条件、施加点荷载的位置以及集中施加荷载/反应点下的支承/加劲布置(Dar，2015b, 2017)。支座在支座处受到侧向约束。
测试结果及讨论
有时，为了更好地解释结果，绘制半对数曲线(Dar et al.， 2018;Mamokandan，2014)。图7为不同模型的荷载-位移(跨中)曲线。模型I抵抗荷载，直到在最大弯矩为中心三分之一跨的唇部出现过早局部屈曲破坏(如图8所示)。所述破坏对应的最大荷载为44.1 kN，跨中位移为11.67 mm。模型除一小段局部唇破裂外，其余部分完好无损，仍具有足够的储备强度。为了利用这种保留的强度，在模型II中引入了适当的加劲布置(如前所述)。模型II比模型i承受更高的荷载(68.3 kN)。模型II承受的额外荷载部分是由于截面的预留能力，部分是由于应变硬化。破坏模式由图9所示的受压法兰局部屈曲开始，局部屈曲在中心三分之一长度范围内，破坏荷载为68.3 kN，跨中最大挠度为20.9 mm，所对应的最大压缩应力最大。在此值得强调的是，在整个脆弱区采用的加劲布置大大提高了承载能力，从44.1 kN提高到68.3 kN(即增长39%)。这一令人鼓舞的实验结果证实了在CFS结构中合理设置加筋措施的重要作用。模型III在最大弯矩的中三分之一区域内发生局部过早屈曲破坏，如图10所示。所述破坏在较低荷载12.7 kN和跨中位移5.0 mm时观察到。在这个阶段，模型突然停止抵抗任何进一步的负荷;因此，该模型被认为已经达到极限状态。模型除局部小长度唇瓣破坏外，其余部分状态良好，具有可观的后备强度。为了利用这种保留的强度，在模型IV中引入了适当的加劲(如前所述)。
加筋模型(模型IV)在15 kN荷载下失效，而未加筋模型(模型III)在12.7 kN荷载下失效;即仅微增2.3千牛顿)。破坏模式再次为高弯矩中三分之一区域的局部唇曲，如图11所示明显。因此，采用厚度为1mm的薄板制作CFS梁，即使采用了一些加筋措施，在非常低的荷载下，也极易发生过早屈曲;因此，不推荐使用这种薄的冷弯板。在试样的测试过程中，在选定的任意截面上都没有观察到畸变和横向扭转屈曲。如前所述，有
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