中國報告大廳網訊，在建築結構領域，槽鋼作為重要的鋼材類型，其應用廣泛且不斷面臨新的技術挑戰與發展機遇。隨著2025年的到來，槽鋼行業在技術層面持續革新，其中關於冷彎槽鋼樑的研究備受矚目。冷彎槽鋼樑在實際工程中常因管道布置等需求，在腹板處開設孔洞，然而這一操作對構件的承載力和屈曲模式會產生重要影響，相關研究亟待深入開展。

  一、槽鋼試驗概況

  1.1 槽鋼試件設計

  設計了無孔和有孔兩種截面形式的槽鋼試件。《2025-2030年全球及中國槽鋼行業市場現狀調研及發展前景分析報告》研究表明，腹板開圓孔的槽鋼構件受力性能相對更好，橢圓孔次之，矩形孔相對較差，本文選取相對保守的矩形孔進行研究，孔洞寬度設為 100mm。有孔試件採用 4 種孔高比 h/H，分別為 0.2、0.4、0.6 和 0.8，針對每種孔高比(包括無孔情況)，設計 20mm 和 40mm 兩種卷邊寬度的試件，共設計 10 組 20 個非純彎槽鋼試件。試件的翼緣寬度Bc=Bt=80mm，腹板高度H=200mm，板厚t=2.0mm，卷邊與翼緣夾角θc=θt=90∘，轉角內徑與板厚一致r=t=2mm。非純彎試驗採用在跨中施加集中荷載的方式，試件長度L=2520mm，其一側支座至梁中間點 1200mm 區段為非純彎研究區段，在研究區段的腹板上設計 3 個相同孔距的孔洞。為消除另一側非研究區段的影響，在荷載另一側試件的上翼緣加設蓋板，非純彎研究區段和非研究區段的長度均為 1200mm。

  1.2 槽鋼材性試驗

  選用 Q355B 級冷軋鋼板加工製作槽鋼試件。沿試件長度方向截取 9 個標準件進行拉伸試驗，依據相關標準進行材性試驗，測得試件材料屬性的平均值為：屈服強度fy=398MPa，極限強度fu=544MPa，彈性模量E=193GPa，泊松比ν=0.27，斷後伸長率δ=32.5%。

  1.3 槽鋼初始缺陷

  在槽鋼試件製作和運輸過程中會產生初始缺陷，這對試件的承載力和屈曲性能有顯著影響。試驗前，按照特定方法測量試件初始缺陷，沿研究區段長度方向平均分成 20 份，按 60mm 為一份劃分網格來測量試件的畸變初始缺陷Δd和局部初始缺陷Δl。短卷邊槽鋼試件實際測量的局部初始缺陷與板厚的比值Δ/t和畸變初始缺陷與板厚的比值Δd/t的平均值分別為 0.108 和 1.490;長卷邊槽鋼試件實際測量的局部初始缺陷與板厚的比值Δ/t和畸變初始缺陷與板厚的比值Δd/t的平均值分別為 0.094 和 1.349。

  1.4 試驗裝置和加載方案

  非純彎試驗加載裝置採用特定構造，為防止槽鋼試件發生平面外屈曲，試驗前將 2 個相同截面形式的槽鋼試件在兩端和跨中位置採用工字型連接件通過高強螺栓連接在一起，放置在兩個支墩上，分別設置固定鉸支座和滑動鉸支座。為避免試件發生整體屈曲，將非研究區段的上翼緣設置蓋板。位移計放置在試件跨中靠近翼緣與腹板連接的受拉位置處，用於捕獲試件的豎向位移。試驗時，使用螺旋液壓千斤頂在試件跨中施加集中荷載，將千斤頂與荷載傳感器相連，通過傳感器讀數獲得試驗的每級加載量和最後承載力。加載過程遵循一定方案，先進行物理對中，保證同一組中的 2 個試件受力均勻，之後進行預加載，預加載總量不超過預期極限荷載的 20%。預載完成後開始正式加載，先以預期極限荷載的 5% 作為每級加載量，直至達到預期極限荷載的 70%;然後將每級加載量降為預期極限荷載的 2.5%，直至達到預期極限荷載的 90%;最後將每級加載量繼續降為預期極限荷載的 1.25%，直至試件達到承載力極限狀態。每級加載後，穩定 1 - 2min 再讀數。在保證安全的前提下，繼續進行一段卸載曲線的測量，當荷載下降至預期極限荷載的 80% 時結束試驗。

  二、槽鋼試驗結果分析

  2.1 槽鋼屈曲模式

  短卷邊槽鋼行業試件在不同孔高比下呈現不同破壞模式。由於其卷邊寬度較小，對翼緣支撐作用小，當孔高比不大於 0.6 時，均發生以畸變屈曲為主的破壞模式，翼緣和卷邊交線的畸變屈曲變形主要發生在荷載作用點附近，同時在荷載作用點附近和孔洞上方翼緣出現局部屈曲變形，且隨著孔高比增加，局部屈曲變形愈加明顯。當孔高比增加至 0.8 時，試件發生以局部屈曲為主的破壞模式，因較大孔洞過度削弱腹板，減少了腹板對受壓翼緣的約束，使試件孔洞上方翼緣的局部屈曲變形加劇，翼緣和卷邊交線的畸變屈曲變形減弱。

  長卷邊槽鋼試件在不同孔高比下，因長卷邊對翼緣約束較大，翼緣和卷邊的交線未發生明顯畸變屈曲，均發生以局部屈曲為主的破壞模式。當孔高比不大於 0.2 時，在荷載作用點附近的受壓翼緣出現向上凸的局部屈曲變形;當孔高比為 0.4、0.6 和 0.8 時，試件的局部屈曲變形表現為孔洞上方翼緣下凹的破壞形態，且隨著孔高比的增大，孔洞上方翼緣的局部屈曲變形愈加明顯。

  2.2 槽鋼抗彎承載力

  槽鋼試件的抗彎承載力數據表明，開孔槽鋼試件承載力隨孔高比的增大總體上呈先緩降、後陡降的變化規律。當孔高比為 0.2 時，開孔槽鋼試件承載力與無孔槽鋼試件承載力相差不超過 2.2%，考慮試驗誤差，可認為兩者承載力基本持平;當孔高比不大於 0.4 時，試件受孔洞影響很小，承載力降低不超過 4%;當孔高比為 0.6 時，承載力降低超過 10%;當孔高比為 0.8 時，由於腹板開孔過大，試件承載力急劇下降，下降超過 50%。

  2.3 跨中彎矩 - 豎向位移曲線

  短卷邊和長卷邊槽鋼試件在不同孔高比下的跨中彎矩 - 豎向位移曲線顯示，長、短卷邊槽鋼試件曲線在上升段區別不大，在下降段時長卷邊槽鋼試件曲線更為平緩。分析認為，長卷邊槽鋼試件均發生以局部屈曲為主的破壞，而短卷邊槽鋼試件的畸變屈曲變形更為明顯，局部屈曲破壞比畸變屈曲破壞具有更高的屈曲後強度。

  三、槽鋼有限元模擬及參數分析

  3.1 槽鋼有限元模擬

  利用有限元軟體 ANSYS 中的 SHELL 181 殼單元建立槽鋼模型，模型幾何尺寸與試件實測尺寸一致。模擬時在試件兩端支座連接件底部分別限制 X、Y、Z 方向和 X、Y 方向的位移，對應試驗中的固定鉸支座和滑動鉸支座。有限元模型的材料本構模型為彈塑性雙摺線模型，第一折線段斜率為彈性模量 E，第二折線段斜率取 E 的 0.01 倍，材料屬性按實測值輸入。有限元分析時先進行特徵值屈曲分析，得到試件最可能發生的屈曲模態，然後將實測初始缺陷的平均值施加到對應有限元模型中，最後進行材料和幾何雙重非線性的非線性屈曲分析。有限元分析所得槽鋼試件的屈曲破壞模式和承載力與試驗結果對比，有限元分析承載力和試驗結果最大僅相差 8.6%，兩者之比的平均值為 1.006，表明有限元分析結果和試驗結果吻合較好。有限元分析的屈曲破壞模式和變形位置與試驗基本相同，跨中彎矩 - 豎向位移曲線在上升段初期吻合較好，在下降段時有限元分析的曲線更為平緩。

  3.2 槽鋼有限元參數分析

  採用經試驗驗證的有限元模型，設計 72 組有限元算例對槽鋼進行參數分析。其中，腹板高度為 180mm、200mm 和 220mm，每種腹板高度對應 0.2、0.4、0.6 和 0.8 四種孔高比，板厚為 2.0mm、2.5mm 和 3.0mm，卷邊寬度為 20mm 和 40mm。材料屈服強度為 355MPa，泊松比為 0.3，彈性模量為 206GPa。非線性屈曲分析時，試件初始缺陷參照試驗實際測量平均值施加。參數分析結果顯示，當孔高比為 0.2 和 0.4 時，有限元分析開孔非純彎槽鋼構件承載力比某規範中相關公式計算結果分別平均高 15% 和 14.3%，表明採用該規範開孔純彎構件公式計算開孔非純彎槽鋼構件承載力偏於保守;當孔高比為 0.6 時，有限元分析開孔非純彎槽鋼構件承載力與該規範公式計算結果平均相差 2%，僅個別試件結果在 10% 左右;當孔高比為 0.8 時，由於腹板開孔過大，開孔非純彎槽鋼構件承載力發生陡降，有限元分析開孔非純彎槽鋼構件承載力比該規範公式計算結果平均低 61.2%，表明此時採用該規範公式計算開孔非純彎槽鋼構件承載力過於不安全。

  四、腹板開孔冷彎槽鋼樑直接強度法研究

  4.1 腹板開孔冷彎槽鋼純彎梁相關公式

  已有規範給出適用於開孔純彎槽鋼構件的承載力設計公式。發生畸變屈曲時的開孔純彎槽鋼構件承載力Mad公式以及發生局部 - 整體相關屈曲時的開孔純彎槽鋼構件承載力Mnl公式均有其特定表達式，公式中涉及多個參數，如λd、λl、My、Mynet、Mcrd、Mcrl等，這些參數與槽鋼構件的截面特性、屈服強度等相關。

  4.2 試驗及有限元結果與規範計算結果比較

  將非純彎試驗及有限元參數分析結果根據槽鋼構件發生的兩種屈曲模式分別繪圖對比。縱坐標為構件極限承載力Mu與毛截面邊緣屈服彎矩My的比值Mu/My，橫坐標為毛截面邊緣屈服彎矩My與彈性畸變屈曲臨界彎矩Mcrd或彈性局部屈曲臨界彎矩Mcrl的比值。同時，將規範中開孔純彎槽鋼構件發生兩種屈曲模式的公式曲線繪製於圖中對比。對比時根據孔高大小分類，基於試驗和有限元參數分析的槽鋼構件截面幾何尺寸，不同孔高比對應不同的淨截面與毛截面的邊緣屈服彎矩之比φ範圍。對比結果表明，當φ=1時，發生畸變屈曲和局部屈曲的試驗結果和有限元分析結果均在規範公式曲線上方，分別平均高出 14.9% 和 14.4%，表明採用規範中純彎公式計算開孔非純彎槽鋼構件承載力偏於保守;當φ=0.95時，畸變屈曲模式下的試驗和有限元分析結果絕大多數在規範公式曲線上方且較為接近，平均偏差僅為 3%，而局部屈曲模式下的試驗和有限元分析結果在規範公式曲線下方時，最大相差為 16%，表明採用該規範公式計算開孔非純彎槽鋼構件承載力偏於不安全;當φ=0.85時，局部屈曲模式下的相關結果均落在距規範公式曲線相差較遠的下方，最大相差高達90%，表明此時採用該規範公式計算開孔非純彎槽鋼構件承載力過於不安全。

  4.3 開孔非純彎槽鋼構件公式修正

  基於已有規範公式、試驗及參數分析結果，得到適用於開孔非純彎槽鋼構件的修正公式。修正後開孔純彎槽鋼構件以畸變屈曲為主和以局部屈曲為主的公式均有其特定表達式，公式中包含與φ相關的係數α2、β2、γ、α3、β3等，以及根據特定方程求解的λd1、λl2等參數。修正公式曲線與試驗及參數分析結果更為接近，絕大多數相差均在10%以內，表明採用修正公式預測開孔非純彎槽鋼構件的承載力是可靠的。

  綜上所述，通過對腹板開孔冷彎槽鋼樑的試驗研究和有限元分析，明確了開孔對槽鋼試件承載力和屈曲模式的影響規律。開孔槽鋼試件承載力隨孔高比增大呈先緩降後陡降趨勢，不同卷邊寬度和孔高比下槽鋼試件的屈曲模式有所不同。有限元模擬與試驗結果吻合良好，參數分析進一步揭示了孔高比等因素對槽鋼構件承載力的影響。基於試驗和分析結果，對相關規範公式進行修正，得到的開孔非純彎槽鋼構件直接強度法修正公式擴大了計算開孔冷彎槽鋼樑抗彎承載力的適用範圍，為2025年槽鋼在建築結構等領域的合理應用提供了更可靠的理論支持和設計方法參考 。