張建輝，徐 倩，邵 飛，趙術(shù)杰，任俊宏

（中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

鋁合金作為一種新型建筑材料，具有質(zhì)量輕、外形美觀、耐腐蝕性好等特性。而鋁合金結(jié)構(gòu)是采用鋁合金材料制造而成的結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)件的力學(xué)性能有很多在形式上與鋼結(jié)構(gòu)相似，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是GB 50429-2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的頒布更加推動了鋁合金在國內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

6061-T6系列鋁合金樁腿主要是在海洋環(huán)境中進行使用，會受到上部荷載、風(fēng)荷載以及海流荷載的影響，在使用過程中并沒用對樁腿的極限承載力進行過測定，本試驗的主要目的就是測定樁腿的極限承載力，并觀察樁腿的破壞形式。

1 試驗研究

1.1 試件規(guī)格

本次試驗試件的規(guī)格和孔洞的分布如圖1所示。試件的編號為Ⅰ-A-（1）-a，編號中的第一項為樁腿的序號，編號中的第二項為應(yīng)變花的類型，根據(jù)應(yīng)變花的不同布置進行編號，第三項對相應(yīng)位置的應(yīng)變花進行編號，第四項為單個應(yīng)變花中水平應(yīng)變片和豎直應(yīng)變片的編號。

圖1 樁腿規(guī)格

1.2 結(jié)構(gòu)試驗

在試驗進行前，為了取得更好的模擬實際情況，需要加工兩個構(gòu)件和試件組裝在一起，如圖2所示。樁腿是放置在5 000 kN的壓力機上進行試驗的，壓力機的上部機構(gòu)是可以進行上下移動的，可以適用于不同尺寸的構(gòu)件。預(yù)加載階段，加載端用5 kN的力進行控制，豎直向上緩慢移動，使試件與壓力機的上部機構(gòu)完全接觸。為了使樁腿兩端的試件與樁腿端部完全貼合，用了50 kN的力對樁腿進行了加載。

圖2 試驗構(gòu)件模型

試件周圍的應(yīng)變片、位移計布置如圖3所示，在試件的兩邊分別布置了兩個豎向位移計，用來測量試件豎直方向產(chǎn)生的位移，同時還布置了兩個水平位移計，用來測量試件的水平位移，在試件的孔洞出繪制切線，目的是在試驗結(jié)束后更直觀的觀察孔洞的變形情況。根據(jù)試驗前的模擬，在跨中的孔洞周圍粘貼應(yīng)變花，用來測量孔洞周圍的變形情況，因為構(gòu)件的孔洞是對稱的，所以需要在對稱面的孔洞處粘貼應(yīng)變片。正式加載階段使用的是分級加載的方式，實驗結(jié)果見下表1.

圖3 測量儀器布置

2 有限元分析

本文采用有限元軟件ANSYS16.0對試驗結(jié)果進行了數(shù)值分析。模型所采用的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

模擬與試驗結(jié)果對比如表2.

表2 試驗結(jié)果與本文模擬結(jié)果對比

2.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

為了構(gòu)建模型的便捷性，先使用Solidworks構(gòu)建出各個試件的模型，然后導(dǎo)入到Workbench中，根據(jù)實際情況設(shè)置好各個構(gòu)件之間的接觸方式。劃分網(wǎng)格時，需要將孔洞周圍的網(wǎng)格進行細化，如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

本文中材料的本構(gòu)關(guān)系采用的是Ramberg-Os good模型，根據(jù)郭小農(nóng)等[1]的研究，應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系式如下所示：

式中：m是由試驗測定的參數(shù)，根據(jù)文獻[1]（國產(chǎn)結(jié)構(gòu)用鋁合金材料本構(gòu)關(guān)系及物理力學(xué)性能研究），取10m=f0.2，f0.2為構(gòu)件殘余應(yīng)變0.2%時的名義屈服強度。

2.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

通過試驗得到了兩根樁腿的極限承載力和破壞模式，所以數(shù)值模擬分析也主要是從極限承載力和破壞模式這兩個方面進行。圖5為兩根樁腿的試驗荷載位移曲線與模擬所得的荷載位移曲線對比。

圖5 荷載位移曲線對比

可以看出，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，并且模擬的破壞結(jié)果與試驗破壞結(jié)果相似，如圖6所示。

圖6 試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比

圖6 展示的是新樁腿試驗結(jié)果照片與模擬Mises應(yīng)力云圖對比，可見試驗與模擬的破壞模式類似。

3 鋁合金樁腿極限承載力理論計算

目前，國內(nèi)對鋁合金軸心受壓構(gòu)件做過一定量的試驗研究，但大多數(shù)研究均集中在未開孔構(gòu)件上。少數(shù)關(guān)于薄壁型鋼開孔構(gòu)件的研究，其截面類型也集中于槽形和圓形截面[2-4]，開孔軸心受壓構(gòu)件在GB50429-2007中也沒有相應(yīng)的計算方法，因此，此部分的理論計算參考的是北美鋁合金規(guī)范。

開孔構(gòu)件常用的理論計算方法通常有：有效寬度法、有效厚度法、等效體積法等。

因此，本文借鑒了北美鋁合金規(guī)范[5]的有效寬度的計算方法計算了鋁合金開孔圓管柱的

有效直徑（Deff），并對其極限承載力值進行了近似計算。

當λ≤ 0.673時，Deff＝D0-d

當λ＞0.673時：

式中：λ為構(gòu)件的長細比；D0為鋁合金開孔圓管柱的內(nèi)徑；d為開孔直徑。

承載力計算公式為：

式中：Ae為截面的有效面積（由截面的有效直徑計算所得）

Fn為名義上的屈服應(yīng)力。

試件的規(guī)格如表3所示。

表3 試件規(guī)格

通過計算可得表4的計算結(jié)果。

表4 樁腿承載力理論計算驗證

可見套用北美鋁合金規(guī)范所得的計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為接近。從表中可以看出，公式計算的數(shù)值結(jié)果要比模擬計算所得結(jié)果要小，表明該公式對于鋁合金樁腿極限承載力的計算滿足安全設(shè)計的要求，計算結(jié)果趨于保守，通過大量的有限元模擬可知，當樁腿的開孔直徑越大，計算結(jié)果越發(fā)趨于保守。

4 樁腿承載力影響因素分析

經(jīng)過試驗得到了鋁合金管的極限承載力、屈曲模式及破壞形態(tài)等數(shù)據(jù)，但試驗中所研究的構(gòu)件較少，為進一步研究鋁合金圓管柱開孔后的軸心受壓性能，通過大規(guī)模的實驗來獲取數(shù)據(jù)不顯示，所以采用有限元模擬的方法來進行探究。

4.1 開孔直徑

在研究過程中主要運用的是控制變量的方法，在保證鋁合金樁腿其它參數(shù)不變的情況下，改變孔徑，通過有限元模擬來觀察孔徑大小產(chǎn)生的影響，主要分析了孔徑為25 mm、35 mm、45 mm、55 mm和65 mm五種情況，模型的構(gòu)建方法與前文類似，可以得到不同孔徑樁腿的荷載位移曲線，如圖7所示。承載力下降幅值如表4所示。

圖7 不同孔徑荷載位移曲線對比

表4 不同孔徑樁腿承載力下降幅值

圖中將無孔樁腿與開孔樁腿進行了比較，可見無孔樁腿的強度極限出現(xiàn)在開孔樁腿之前，主要原因是孔洞的存在影響了樁腿結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，但無孔樁腿的極限承載力要大于開孔樁腿?？梢钥闯鲭S著孔徑的增大，樁腿的極限承載力在逐漸的減小。

4.2 孔距

運用相同的分析方法，分析了孔距分別為100 mm、120 mm、140 mm、160 mm、180 mm 和 200 mm幾種情況下的荷載變化情況，不同孔距荷載位移曲線對比如圖8所示，從圖8中可以得到表5中的承載力下降幅值。

圖8 不同孔距荷載位移曲線對比

表5 不同孔距樁腿極限承載力下降幅值

可以看出在改變孔距的情況下，樁腿的極限承載力在一定程度上出現(xiàn)了下降，但下降的幅值并不明顯。在一定范圍內(nèi)，隨著孔距的增加，樁腿的極限承載力呈現(xiàn)上升的趨勢，原因是隨著孔距增加，孔洞在樁腿上分布的相對均勻，孔洞周圍的應(yīng)力也隨之分布均勻，樁腿的極限承載力也逐漸上升。

5 結(jié)束語

本文對鋁合金樁腿的在軸心受壓作用下進行的試驗研究和有限元模擬，就其極限承載力、屈曲模式進行了討論和總結(jié)，并選用合理的理論模型進行了驗證，主要的研究成果和結(jié)論概括為以下幾個方面：

（1）由于構(gòu)件存在孔洞，破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，降低了構(gòu)件的極限承載力，改變了軸壓構(gòu)件的應(yīng)力分布，應(yīng)力集中區(qū)域主要發(fā)生在孔洞周邊。

（2）孔洞的尺寸對開孔構(gòu)件的極限承載力有較大的影響，開孔直徑約達，構(gòu)件的極限承載力下降越快。

（3）當開孔數(shù)量較少時，孔洞的個數(shù)對于軸壓構(gòu)件承載力的影響不顯著，但開孔位置均會產(chǎn)生應(yīng)力集中的情況。

（4）開孔的位置，孔距的不同對構(gòu)件的承載力也會產(chǎn)生較大的影響。