高强钢工字形截面开孔梁受弯性能试验研究 高强钢工字形截面开孔梁受弯性能试验研究
冯 然1，2孙 雯1
（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽省土木工程结构与材料重点实验室，合肥 230009；2.哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，广东深圳 518055）
摘 要：为了研究高强钢工字形截面开孔梁的受弯性能，对名义屈服强度为550 MPa和690 MPa的高强钢工字形截面开孔梁进行了三点弯曲和四点弯曲试验。试验共计12个试件，通过分析试件的破坏模式、极限荷载下的变形曲线、应变曲线和弯矩－挠度曲线，表明：试件的破坏均是由翼缘处发生的局部屈曲引起的，高强钢试件具有良好的延性，孔洞的存在削弱了试件的整体性，孔洞附近有应力集中现象，孔径的大小及数目对试件的极限承载力有不同程度的影响。
关键词：高强钢；工字形截面；抗弯承载力；孔洞
1 概 述
GB 50017—2003《钢结构设计规范》［1］对屈服强度为420 MPa及其以上的钢材定义为高强钢，高强钢的强度高、韧性好［2］，有着普通强度钢材不可代替的优点［3］。相对普通强度钢材而言，高强钢可以减小构件尺寸和结构自重，增加建筑物使用空间［4］。随着焊接技术的提高，使高强钢在建筑结构中得到了越来越广泛的应用［5］。在实际的建筑工程应用中，通常会在梁上开设一定数目的孔洞，这样为电线、管道以及其他设备的安装提供方便，达到降低结构高度、节约材料、减轻自重的效果［6］。
目前我国尚未颁布相应的高强钢结构设计规范，国内外关于高强钢的研究主要集中在对其轴心受压性能的研究上，很少有对于高强钢受弯构件的研究，对于高强钢开孔受弯构件的研究更是少之又少。由于受弯构件开有孔洞，所以破坏了构件的几何连续性，改变了构件的应力分布［7］，对构件的受弯性能产生了很大的影响。本次试验通过对高强钢工字形截面开孔梁分别进行三点弯曲和四点弯曲试验，研究孔洞参数对高强钢工字形截面开孔构件受弯性能的影响，为今后的理论研究和实际工程应用提供理论依据。
2 试验概况
2.1 试件的材料属性
通过材料拉伸试验测量高强钢的材料力学性能。拉伸试验在合肥工业大学力学实验室进行，根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验法》［8］和GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［9］的要求加工标准材料拉伸试件，试件共计6个，Q550与Q690高强钢试件各 3个。采用 100 kN的 SANS（CMT5105）电子万能试验机进行拉伸试验，并采集试验数据，在弹性阶段采用0.1 mm/min的速度进行加载，在塑性阶段采用0.8 mm/min的速度进行加载，试件的变形由DH3816N静态应力应变测试仪测定。试验装置如图1所示。
图1 拉伸试验装置
试件破坏前均有“颈缩”现象，具有较好的延性，每组试件共3个，试件的屈服强度与极限抗拉强度彼此相差不大，取3个试件的屈服强度与极限抗拉强度实测值的平均值作为高强钢材性试验的最终取值，分别绘制出Q550与Q690高强钢试件材料的应力－应变曲线，如图2所示。由应力－应变曲线可以看出，高强钢与普通碳素钢有明显区别，其屈服平台与强化阶段相对普通碳素钢来说较短。试验测得的Q550和Q690高强钢的材性结果汇总于表1。
图2 Q550和Q690高强钢的应力－应变曲线
表1 高强钢材性试验结果
钢材型号弹性模量E/GPa屈服强度fy/MPa极限强度fu/MPa伸长率δ/%屈强比fy/fu Q550 204.1 693.12 727.72 27.5 0.93 Q690 198.4 775.03 816.27 30.4 0.94
2.2 试件设计
本次试验共设计了12个试件，分别对其进行三点弯曲和四点弯曲试验。具体情况为将Q550设计成窄翼缘工字形截面梁，共计6个试件，三点弯曲和四点弯曲试验试件各3个，设置一个不开孔试件和两个开孔试件作对比，开孔试件上孔洞的数目同为4个，孔径分别为67.5 mm和135 mm，即孔径分别为试件截面高度的30%和60%。将Q690设计成宽翼缘工字形截面梁，共计6个试件，三点弯曲和四点弯曲试验试件也各3个，同样设置一个不开孔试件与两个开孔试件作对比，开孔试件的开孔个数分别为4个和6个，孔径均为30 mm，即孔径均为试件截面高度的30%。试件的截面形式与孔洞位置如图3和图4所示。分别对试件进行编号，如HN－N4－D67.5－B3表示窄翼缘工字形截面梁，开孔个数为4，孔洞直径为67.5 mm，承受三点弯曲荷载；HWN6－D30－B4表示宽翼缘工字形截面梁，开孔个数为6，孔洞直径为30 mm，承受四点弯曲荷载。各试件几何尺寸的实测值汇总于表2。
图3 试件截面形式
图4 孔洞位置示意
2.3 试验方案
本次试验在合肥工业大学工程结构实验室进行，采用500 kN液压千斤顶进行手动分级加载，级数控制在30步左右，每级加载后持荷2 min，待读数稳定后采集数据。试验开始前，预先估计试件的极限承载力，从而确定每级加载约15 kN，加载至预估极限荷载的70%后，减小每级加载的荷载值［10］，从而得到较为精准的极限荷载。试件达到极限承载力后，如果继续加载，试件挠度将不断增大，但是所承受的荷载却不断减小，试件进入卸载阶段，此时采用位移控制分级加载，使每步加载后试件跨中位移均匀增大，得到卸载过程中荷载与位移的关系，由荷载可以求出梁的截面弯矩，从而得到试件的弯矩－挠度曲线。
试件的一端采用固定铰支座，另一端则采用滑动铰支座，为了防止工字形截面梁在试验过程中发生平面外失稳，特别设置侧向支撑。三点弯曲试验中，千斤顶直接作用于梁的上翼缘，侧向支撑距加载点两侧500 mm，如图5所示；四点弯曲试验中，千斤顶作用在分配梁上，侧向支撑距两端支座300 mm，如图6所示。
表2 试件实测截面尺寸mm
试件编号 B H tf tw L D S HN－N0－B3 125.86 225.89 6.109 6.119 2 650 — 0 HN－N4－D67.5－B3 125.41 224.73 6.246 6.328 2 650 67.88 490 HN－N4－D135－B3 124.89 225.19 6.259 6.028 2 650 134.59 490 HN－N0－B4 125.36 225.94 6.331 6.108 2 650 — 0 HN－N4－D67.5－B4 124.93 225.56 6.325 6.105 2 650 67.45 490 HN－N4－D135－B4 123.98 224.82 6.107 6.389 2 650 135.99 490 HW－N0－B3 98.90 101.89 6.038 6.058 1 110 — 0 HW－N4－D30－B3 101.11 99.82 6.128 6.135 1 110 29.43 182 HW－N6－D30－B3 100.76 98.95 6.133 5.973 1 110 30.86 130 HW－N0－B4 101.52 99.73 6.178 6.150 1 110 — 0 HW－N4－D30－B4 101.56 101.56 5.927 6.104 1 110 31.05 182 HW－N6－D30－B4 101.22 98.96 6.013 6.104 1 110 29.28 130
图5 三点弯曲试验装置示意
图6 四点弯曲试验装置示意
无论是三点弯曲试验还是四点弯曲试验，均在试件的下翼缘底部正中处布置位移计，并分布在跨中和所有加载点处，从而得到不同加载情况下试件对应的挠度；且在所有开孔位置布置相应的位移计，测量开孔位置是否发生大变形；试件的两端也分别布置2个位移计，测量试件的端部转角，从而得到整个试件的变形曲线。由于设置了较强的侧向支撑，从而限制了试件的平面外变形，有效避免了试件平面外失稳的发生。同时，在试件的跨中以及孔洞周围布置应变片，从而得到不同加载情况下试件跨中以及孔洞周围的应变分布。试件的几何尺寸、加载方式和边界条件都是对称的，故以梁跨中和腹板为轴线，沿着试件整体的1/4位置布置应变片。试件的位移计以及应变片的布置如图7和图8所示，试验中荷载、位移计以及应变片的读数均由数据采集仪实时采集。
图7 位移计布置示意
图8 试件HN－N4－D135－B3应变片布置示意
2.4 试验结果及分析
通过对Q550高强钢试件破坏模式的观察可知：无论是三点弯曲试验还是四点弯曲试验，首先翼缘处会出现局部屈曲，随着荷载增大，局部屈曲部分变形增大，达到极限荷载时，两侧向支撑之间部分的钢试件发生弯扭失稳，试件最后的破坏模式为翼缘局部屈曲与整体弯扭失稳。观察 Q690高强钢在三点弯曲试验中破坏模式可知：首先翼缘处会出现局部屈曲，随着荷载增大，局部屈曲部分变形增大，达到极限荷载时，两侧向支撑之间部分的钢试件发生弯曲失稳，试件最后的破坏模式为翼缘局部屈曲与整体弯曲失稳。观察Q690高强钢在四点弯曲试验中破坏模式可知：翼缘发生局部屈曲，弯剪段发生剪切破坏，继续加载，翼缘局部屈曲变形增大至极限荷载时破坏。所有试件的破坏均是由翼缘处的局部屈曲引起的。试件的破坏模式如图9所示。
图9 试件破坏模式
通过位移计的读数可以得出孔洞参数不同的受弯构件在极限荷载下的变形，如图10—图13所示。从图10和图11中可以得知，在极限荷载作用下，试件的孔洞数目相同时，孔径大的试件跨中挠度小；从图12和图13中可以得知，孔径相同的试件，孔洞数目多的试件挠度大，但是不开孔的试件因承载力较大，最终的挠度也比较大，反映出高强钢受弯构件具有良好的延展性。
通过应变片记录得到极限荷载作用下跨中以及孔洞位置处的应变，如图14所示。跨中处由于没有开孔，应变变化比较均匀；在孔洞处，试件整体性被破坏，出现应力集中现象，导致部分位置应变突然增大。
图10 Q550高强钢试件三点弯曲试验变形曲线
图11 Q550高强钢试件四点弯曲试验变形曲线
图12 Q690高强钢试件三点弯曲试验变形曲线
图13 Q690高强钢试件四点弯曲试验变形曲线
不同形式的梁在三点弯曲和四点弯曲试验下的抗弯承载力也有所不同，将各试件在极限状态下的抗弯刚度、荷载、弯矩以及跨中位移汇总于表3，并绘制弯矩－挠度曲线，如图15—图18所示。在加载初期，同组试件的弯矩－挠度曲线基本一致，说明此时孔洞参数对试件的影响较小；随着荷载的增大，孔洞参数对试件抗弯刚度的影响越来越明显，孔洞的存在降低了试件的抗弯承载力，开孔试件的极限弯矩均小于不开孔试件。对于Q550高强钢开有4个孔洞的工字形截面梁，在三点弯曲试验中，当孔径为试件高度的30%时，极限弯矩降低了0.6%，当孔径为试件高度的60%时，极限弯矩降低了3.2%；在四点弯曲试验中，当孔径为试件高度的30%时，极限弯矩降低了2.8%，当孔径为试件高度的60%时，极限弯矩降低了12.1%。对于Q690高强钢开孔孔径为试件高度30%的工字形截面梁，在三点弯曲试验中，当孔洞数目为 4个时，极限弯矩降低了2.0%，当孔洞数目为 6个时，极限弯矩降低了5.6%；在四点弯曲试验中，当孔洞数目为4个时，极限弯矩降低了2.6%，当孔洞数目为6个时，极限弯矩降低了4.5%。
图14 试件HN－N4－D135－B3的应变
表3 试件极限状态下主要参数
试件编号 抗弯刚度EI/（kN·m2）极限荷载F/kN极限弯矩M/（kN·m）跨中挠度/mm HN－N0－B3 4 440.25 280.01 171.50 28.98 HN－N4－D67.5－B3 4 778.61 278.26 170.43 26.76 HN－N4－D135－B3 5 042.06 271.11 166.05 24.71 HN－N0－B4 7 433.65 216.11 152.36 33.46 HN－N4－D67.5－B4 7 041.21 210.00 134.56 29.71 HN－N4－D135－B4 6 526.61 190.01 133.76 29.00 HW－N0－B3 675.24 270.72 61.58 9.44 HW－N4－D30－B3 704.28 265.31 60.35 8.87 HW－N6－D30－B3 574.05 255.49 58.12 10.48 HW－N0－B4 668.75 164.00 53.30 11.00 HW－N4－D30－B4 605.11 159.72 51.91 11.84 HW－N6－D30－B4 569.70 156.61 50.89 12.33
图15 Q550高强钢试件三点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图16 Q550高强钢试件四点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图17 Q690高强钢试件三点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图18 Q690高强钢试件四点弯曲试验弯矩－挠度曲线
3 结 论
本文对高强钢工字形截面开孔梁进行弯曲试验研究，通过对比试验结果得出如下结论：
1）无论腹板处是否开有孔洞，高强钢受弯构件的破坏均是由翼缘处的局部屈曲引起的。
2）高强钢具有良好的延性。
3）孔洞的存在削弱了试件的整体性，试件孔洞处出现应力集中现象。
4）孔洞的存在降低了试件的极限抗弯承载力，且随着孔径的增大以及数目的增加，孔洞对试件的极限抗弯承载力的降低程度也随之增加，其中孔径大小对试件抗弯承载力的影响更为明显。
参考文献：
［1］GB 50017—2003 钢结构设计规范［S］.
［2］施刚，班慧勇.高强度钢材钢结构的工程应用及研究进展［J］.工业建筑，2012，42（1）：1－7.
［3］孙飞飞，孙密，李国强，等.Q690高强钢端板连接梁柱节点抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2014，35（4）：116－124.
［4］施刚，石久永，王元清.超高强度钢材钢结构的工程应用［J］.建筑钢结构进展，2008，10（4）：32－38.
［5］Graham P.High strength steel use in Australia，Japan and the US［J］.The Structural Engineer，2006，84（21）：27－30.
［6］童乐为，宋涛炜，江蓓，等.大尺度开孔钢梁性能的试验研究和数值分析［J］.同济大学学报：自然科学版，2008，36（8）：1050－1056.
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［8］GB/T 228.1—2010 金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法［S］.
［9］GB/T 2975—1998 钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备［S］.
［10］王春刚，梁润嘉，张壮南，等.腹板开孔复杂卷边冷弯薄壁槽钢受弯构件稳定性试验研究［J］.建筑结构学报，2014，35（4）：125－134.
EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF HIGH STRENGTH STEEL I-SECTION BEAMS WITH OPENINGS
Feng Ran1，2Sun Wen1
（1.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Anhui Key Lab on Structure and Material of Civil Engineering，Hefei 230009，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）
ABSTRACT：In order to study the flexural behaviour of high strength steel I-section beams with openings，an experimental study was conducted on the specimens with nominal yield stresses of 550 MPa and 690 MPa subjected to three-point bending and four-point bending.A total of 12 specimens were tested.According to the failure modes，deformation curves，strain curves，and moment-deflection curves at the ultimate loads，some conclusions can be drawn as follows：all specimens were failed by the local buckling of the flange.The high strength steel I-section beams possessed great ductility property.The existence of holes weakened the integrities of the specimens.Stress concentrations occurred around the holes.The results showed that sizes and number of holes had different influence on the ultimate bearing capacities of specimens.
KEY WORDS：high strength steel；I-section；flexural strength capacity；openings
DOI：10.13206/j.gjg201701004
第一作者：冯然，男，1978年出生，博士，教授。
Email：r.feng＠hfut.edu.cn
收稿日期：2016－03－20
高强钢工字形截面开孔梁受弯性能试验研究 高强钢工字形截面开孔梁受弯性能试验研究
冯 然1，2孙 雯1
（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽省土木工程结构与材料重点实验室，合肥 230009；2.哈尔滨工业大学（深圳）土木与环境工程学院，广东深圳 518055）
摘 要：为了研究高强钢工字形截面开孔梁的受弯性能，对名义屈服强度为550 MPa和690 MPa的高强钢工字形截面开孔梁进行了三点弯曲和四点弯曲试验。试验共计12个试件，通过分析试件的破坏模式、极限荷载下的变形曲线、应变曲线和弯矩－挠度曲线，表明：试件的破坏均是由翼缘处发生的局部屈曲引起的，高强钢试件具有良好的延性，孔洞的存在削弱了试件的整体性，孔洞附近有应力集中现象，孔径的大小及数目对试件的极限承载力有不同程度的影响。
关键词：高强钢；工字形截面；抗弯承载力；孔洞
1 概 述
GB 50017—2003《钢结构设计规范》［1］对屈服强度为420 MPa及其以上的钢材定义为高强钢，高强钢的强度高、韧性好［2］，有着普通强度钢材不可代替的优点［3］。相对普通强度钢材而言，高强钢可以减小构件尺寸和结构自重，增加建筑物使用空间［4］。随着焊接技术的提高，使高强钢在建筑结构中得到了越来越广泛的应用［5］。在实际的建筑工程应用中，通常会在梁上开设一定数目的孔洞，这样为电线、管道以及其他设备的安装提供方便，达到降低结构高度、节约材料、减轻自重的效果［6］。
目前我国尚未颁布相应的高强钢结构设计规范，国内外关于高强钢的研究主要集中在对其轴心受压性能的研究上，很少有对于高强钢受弯构件的研究，对于高强钢开孔受弯构件的研究更是少之又少。由于受弯构件开有孔洞，所以破坏了构件的几何连续性，改变了构件的应力分布［7］，对构件的受弯性能产生了很大的影响。本次试验通过对高强钢工字形截面开孔梁分别进行三点弯曲和四点弯曲试验，研究孔洞参数对高强钢工字形截面开孔构件受弯性能的影响，为今后的理论研究和实际工程应用提供理论依据。
2 试验概况
2.1 试件的材料属性
通过材料拉伸试验测量高强钢的材料力学性能。拉伸试验在合肥工业大学力学实验室进行，根据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验法》［8］和GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》［9］的要求加工标准材料拉伸试件，试件共计6个，Q550与Q690高强钢试件各 3个。采用 100 kN的 SANS（CMT5105）电子万能试验机进行拉伸试验，并采集试验数据，在弹性阶段采用0.1 mm/min的速度进行加载，在塑性阶段采用0.8 mm/min的速度进行加载，试件的变形由DH3816N静态应力应变测试仪测定。试验装置如图1所示。
图1 拉伸试验装置
试件破坏前均有“颈缩”现象，具有较好的延性，每组试件共3个，试件的屈服强度与极限抗拉强度彼此相差不大，取3个试件的屈服强度与极限抗拉强度实测值的平均值作为高强钢材性试验的最终取值，分别绘制出Q550与Q690高强钢试件材料的应力－应变曲线，如图2所示。由应力－应变曲线可以看出，高强钢与普通碳素钢有明显区别，其屈服平台与强化阶段相对普通碳素钢来说较短。试验测得的Q550和Q690高强钢的材性结果汇总于表1。
图2 Q550和Q690高强钢的应力－应变曲线
表1 高强钢材性试验结果
钢材型号弹性模量E/GPa屈服强度fy/MPa极限强度fu/MPa伸长率δ/%屈强比fy/fu Q550 204.1 693.12 727.72 27.5 0.93 Q690 198.4 775.03 816.27 30.4 0.94
2.2 试件设计
本次试验共设计了12个试件，分别对其进行三点弯曲和四点弯曲试验。具体情况为将Q550设计成窄翼缘工字形截面梁，共计6个试件，三点弯曲和四点弯曲试验试件各3个，设置一个不开孔试件和两个开孔试件作对比，开孔试件上孔洞的数目同为4个，孔径分别为67.5 mm和135 mm，即孔径分别为试件截面高度的30%和60%。将Q690设计成宽翼缘工字形截面梁，共计6个试件，三点弯曲和四点弯曲试验试件也各3个，同样设置一个不开孔试件与两个开孔试件作对比，开孔试件的开孔个数分别为4个和6个，孔径均为30 mm，即孔径均为试件截面高度的30%。试件的截面形式与孔洞位置如图3和图4所示。分别对试件进行编号，如HN－N4－D67.5－B3表示窄翼缘工字形截面梁，开孔个数为4，孔洞直径为67.5 mm，承受三点弯曲荷载；HWN6－D30－B4表示宽翼缘工字形截面梁，开孔个数为6，孔洞直径为30 mm，承受四点弯曲荷载。各试件几何尺寸的实测值汇总于表2。
图3 试件截面形式
图4 孔洞位置示意
2.3 试验方案
本次试验在合肥工业大学工程结构实验室进行，采用500 kN液压千斤顶进行手动分级加载，级数控制在30步左右，每级加载后持荷2 min，待读数稳定后采集数据。试验开始前，预先估计试件的极限承载力，从而确定每级加载约15 kN，加载至预估极限荷载的70%后，减小每级加载的荷载值［10］，从而得到较为精准的极限荷载。试件达到极限承载力后，如果继续加载，试件挠度将不断增大，但是所承受的荷载却不断减小，试件进入卸载阶段，此时采用位移控制分级加载，使每步加载后试件跨中位移均匀增大，得到卸载过程中荷载与位移的关系，由荷载可以求出梁的截面弯矩，从而得到试件的弯矩－挠度曲线。
试件的一端采用固定铰支座，另一端则采用滑动铰支座，为了防止工字形截面梁在试验过程中发生平面外失稳，特别设置侧向支撑。三点弯曲试验中，千斤顶直接作用于梁的上翼缘，侧向支撑距加载点两侧500 mm，如图5所示；四点弯曲试验中，千斤顶作用在分配梁上，侧向支撑距两端支座300 mm，如图6所示。
表2 试件实测截面尺寸mm
试件编号 B H tf tw L D S HN－N0－B3 125.86 225.89 6.109 6.119 2 650 — 0 HN－N4－D67.5－B3 125.41 224.73 6.246 6.328 2 650 67.88 490 HN－N4－D135－B3 124.89 225.19 6.259 6.028 2 650 134.59 490 HN－N0－B4 125.36 225.94 6.331 6.108 2 650 — 0 HN－N4－D67.5－B4 124.93 225.56 6.325 6.105 2 650 67.45 490 HN－N4－D135－B4 123.98 224.82 6.107 6.389 2 650 135.99 490 HW－N0－B3 98.90 101.89 6.038 6.058 1 110 — 0 HW－N4－D30－B3 101.11 99.82 6.128 6.135 1 110 29.43 182 HW－N6－D30－B3 100.76 98.95 6.133 5.973 1 110 30.86 130 HW－N0－B4 101.52 99.73 6.178 6.150 1 110 — 0 HW－N4－D30－B4 101.56 101.56 5.927 6.104 1 110 31.05 182 HW－N6－D30－B4 101.22 98.96 6.013 6.104 1 110 29.28 130
图5 三点弯曲试验装置示意
图6 四点弯曲试验装置示意
无论是三点弯曲试验还是四点弯曲试验，均在试件的下翼缘底部正中处布置位移计，并分布在跨中和所有加载点处，从而得到不同加载情况下试件对应的挠度；且在所有开孔位置布置相应的位移计，测量开孔位置是否发生大变形；试件的两端也分别布置2个位移计，测量试件的端部转角，从而得到整个试件的变形曲线。由于设置了较强的侧向支撑，从而限制了试件的平面外变形，有效避免了试件平面外失稳的发生。同时，在试件的跨中以及孔洞周围布置应变片，从而得到不同加载情况下试件跨中以及孔洞周围的应变分布。试件的几何尺寸、加载方式和边界条件都是对称的，故以梁跨中和腹板为轴线，沿着试件整体的1/4位置布置应变片。试件的位移计以及应变片的布置如图7和图8所示，试验中荷载、位移计以及应变片的读数均由数据采集仪实时采集。
图7 位移计布置示意
图8 试件HN－N4－D135－B3应变片布置示意
2.4 试验结果及分析
通过对Q550高强钢试件破坏模式的观察可知：无论是三点弯曲试验还是四点弯曲试验，首先翼缘处会出现局部屈曲，随着荷载增大，局部屈曲部分变形增大，达到极限荷载时，两侧向支撑之间部分的钢试件发生弯扭失稳，试件最后的破坏模式为翼缘局部屈曲与整体弯扭失稳。观察 Q690高强钢在三点弯曲试验中破坏模式可知：首先翼缘处会出现局部屈曲，随着荷载增大，局部屈曲部分变形增大，达到极限荷载时，两侧向支撑之间部分的钢试件发生弯曲失稳，试件最后的破坏模式为翼缘局部屈曲与整体弯曲失稳。观察Q690高强钢在四点弯曲试验中破坏模式可知：翼缘发生局部屈曲，弯剪段发生剪切破坏，继续加载，翼缘局部屈曲变形增大至极限荷载时破坏。所有试件的破坏均是由翼缘处的局部屈曲引起的。试件的破坏模式如图9所示。
图9 试件破坏模式
通过位移计的读数可以得出孔洞参数不同的受弯构件在极限荷载下的变形，如图10—图13所示。从图10和图11中可以得知，在极限荷载作用下，试件的孔洞数目相同时，孔径大的试件跨中挠度小；从图12和图13中可以得知，孔径相同的试件，孔洞数目多的试件挠度大，但是不开孔的试件因承载力较大，最终的挠度也比较大，反映出高强钢受弯构件具有良好的延展性。
通过应变片记录得到极限荷载作用下跨中以及孔洞位置处的应变，如图14所示。跨中处由于没有开孔，应变变化比较均匀；在孔洞处，试件整体性被破坏，出现应力集中现象，导致部分位置应变突然增大。
图10 Q550高强钢试件三点弯曲试验变形曲线
图11 Q550高强钢试件四点弯曲试验变形曲线
图12 Q690高强钢试件三点弯曲试验变形曲线
图13 Q690高强钢试件四点弯曲试验变形曲线
不同形式的梁在三点弯曲和四点弯曲试验下的抗弯承载力也有所不同，将各试件在极限状态下的抗弯刚度、荷载、弯矩以及跨中位移汇总于表3，并绘制弯矩－挠度曲线，如图15—图18所示。在加载初期，同组试件的弯矩－挠度曲线基本一致，说明此时孔洞参数对试件的影响较小；随着荷载的增大，孔洞参数对试件抗弯刚度的影响越来越明显，孔洞的存在降低了试件的抗弯承载力，开孔试件的极限弯矩均小于不开孔试件。对于Q550高强钢开有4个孔洞的工字形截面梁，在三点弯曲试验中，当孔径为试件高度的30%时，极限弯矩降低了0.6%，当孔径为试件高度的60%时，极限弯矩降低了3.2%；在四点弯曲试验中，当孔径为试件高度的30%时，极限弯矩降低了2.8%，当孔径为试件高度的60%时，极限弯矩降低了12.1%。对于Q690高强钢开孔孔径为试件高度30%的工字形截面梁，在三点弯曲试验中，当孔洞数目为 4个时，极限弯矩降低了2.0%，当孔洞数目为 6个时，极限弯矩降低了5.6%；在四点弯曲试验中，当孔洞数目为4个时，极限弯矩降低了2.6%，当孔洞数目为6个时，极限弯矩降低了4.5%。
图14 试件HN－N4－D135－B3的应变
表3 试件极限状态下主要参数
试件编号 抗弯刚度EI/（kN·m2）极限荷载F/kN极限弯矩M/（kN·m）跨中挠度/mm HN－N0－B3 4 440.25 280.01 171.50 28.98 HN－N4－D67.5－B3 4 778.61 278.26 170.43 26.76 HN－N4－D135－B3 5 042.06 271.11 166.05 24.71 HN－N0－B4 7 433.65 216.11 152.36 33.46 HN－N4－D67.5－B4 7 041.21 210.00 134.56 29.71 HN－N4－D135－B4 6 526.61 190.01 133.76 29.00 HW－N0－B3 675.24 270.72 61.58 9.44 HW－N4－D30－B3 704.28 265.31 60.35 8.87 HW－N6－D30－B3 574.05 255.49 58.12 10.48 HW－N0－B4 668.75 164.00 53.30 11.00 HW－N4－D30－B4 605.11 159.72 51.91 11.84 HW－N6－D30－B4 569.70 156.61 50.89 12.33
图15 Q550高强钢试件三点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图16 Q550高强钢试件四点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图17 Q690高强钢试件三点弯曲试验弯矩－挠度曲线
图18 Q690高强钢试件四点弯曲试验弯矩－挠度曲线
3 结 论
本文对高强钢工字形截面开孔梁进行弯曲试验研究，通过对比试验结果得出如下结论：
1）无论腹板处是否开有孔洞，高强钢受弯构件的破坏均是由翼缘处的局部屈曲引起的。
2）高强钢具有良好的延性。
3）孔洞的存在削弱了试件的整体性，试件孔洞处出现应力集中现象。
4）孔洞的存在降低了试件的极限抗弯承载力，且随着孔径的增大以及数目的增加，孔洞对试件的极限抗弯承载力的降低程度也随之增加，其中孔径大小对试件抗弯承载力的影响更为明显。
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EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIOR OF HIGH STRENGTH STEEL I-SECTION BEAMS WITH OPENINGS
Feng Ran1，2Sun Wen1
（1.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Anhui Key Lab on Structure and Material of Civil Engineering，Hefei 230009，China；2.School of Civil and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China）
ABSTRACT：In order to study the flexural behaviour of high strength steel I-section beams with openings，an experimental study was conducted on the specimens with nominal yield stresses of 550 MPa and 690 MPa subjected to three-point bending and four-point bending.A total of 12 specimens were tested.According to the failure modes，deformation curves，strain curves，and moment-deflection curves at the ultimate loads，some conclusions can be drawn as follows：all specimens were failed by the local buckling of the flange.The high strength steel I-section beams possessed great ductility property.The existence of holes weakened the integrities of the specimens.Stress concentrations occurred around the holes.The results showed that sizes and number of holes had different influence on the ultimate bearing capacities of specimens.
KEY WORDS：high strength steel；I-section；flexural strength capacity；openings
DOI：10.13206/j.gjg201701004
第一作者：冯然，男，1978年出生，博士，教授。
Email：r.feng＠hfut.edu.cn
收稿日期：2016－03－20