Q460高強鋼管軸壓承載力的試驗研究★

包 濤 張大長 朱小軍

(南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇 南京 210009)

1 概述

目前，我國建筑結構及土木工程用鋼主要是 Q235，Q345，Q390，Q420四種鋼材，Q420鋼是《鋼結構設計規(guī)范》(2003版)中新增加的品種，這四種鋼材也是當前我國建筑行業(yè)主要使用的鋼種，相比美國、日本等國家我國的結構用鋼的強度明顯偏低。我國僅在少數民用建筑和塔架工程中應用高強鋼，如2008奧運會體育館——鳥巢部分采用了武鋼生產的Q460鋼，2005年投運的750 kV官廳—蘭州東段輸電線路工程采用了Q420鋼［1，2］。

隨著輸電線路輸送容量及電壓等級不斷提高，桿塔荷載和塔重不斷增加，相對于角鋼塔而言，高強鋼管塔的應用將成為輸電桿塔結構發(fā)展的趨勢;但是，國內關于Q460高強鋼管承載力特性的研究成果甚少［3，4］。因此，本文通過試驗以及相關規(guī)范，研究Q460高強鋼管的軸壓承載力特性。

2 試驗概況

2.1 試件設計

根據輸電桿塔結構的相關設計規(guī)范，桿塔結構主材的長細比一般不大于150，同時為了滿足經濟型要求，小管徑選用較大的長細比，大管徑選用較小長細比;并結合實際輸電線路工程的設計經驗和應用情況，選取了三種長細比:λ=50，60，70。此外，在鋼管試驗構件的規(guī)格選取上，滿足《鋼結構設計規(guī)范》關于圓鋼管的外徑與厚度之比不超過(即=51)的規(guī)定，選擇了以下三種徑厚比的鋼管，具體的Q460高強鋼管規(guī)格見表1。

表1 鋼管構件參數

2.2 試驗方法

Q460高強鋼管軸壓承載力試驗采用兩端鉸接加載。由于試驗規(guī)格較大，單向及雙向刀鉸均不能很好滿足試驗承載力要求，所以，本次試驗采用圓柱面單向鉸(國內外已有試驗研究應用);根據鋼管構件的尺寸及方便加載，試驗采用水平擱置的加載方式，試樣豎向適當約束達到安全保護，試驗加載方案如圖1所示。

圖1 鉸接加載示意圖

加載設備采用液壓千斤頂進行單調加載，液壓千斤頂的試驗能力為10000 kN，構件兩端設置單向鉸后，一端連接千斤頂，另一端連接反力墻，通過反作用力對構件施加軸壓力，采用100 kN進行分級加載，直到構件失穩(wěn)破壞。試驗規(guī)程中進行應變和位移用量測，每一級荷載采集一次數據。另外，為了使荷載和應變的變化穩(wěn)定，在正式加載前進行預加載，大小為理論計算結果的10%。

3 試驗結果

3.1 材性試驗

從兩方面考察材料的力學性能:

1)材料的抗拉性能，抗拉性能試驗是在試件的兩端施加軸向的拉力，使得試件達到屈服頸縮，最后拉斷破壞，測量材料的屈服荷載和極限荷載;2)材料的冷彎性能，冷彎性能是讓鋼材在常溫下加工發(fā)生塑性變形時，對產生裂紋的抵抗能力，檢驗材料的冷彎性能是通過冷彎試驗檢驗，如果試件彎曲180°，無裂紋、斷裂或分層，即認為試件冷彎性能合格，試驗結果見表2。材性試驗表明Q460鋼材試件的抗拉屈服承載力和極限承載力均能滿足高強鋼的強度等級要求。

3.2 軸壓高強鋼管的破壞形態(tài)

試驗中對Q460高強鋼管構件逐級的施加軸壓荷載，每級荷載加載結束，記錄各典型位置的應變和位移。各種條件下的高強鋼管構件破壞形態(tài)大致相同，因此這里取φ356×8，λ=50的構件進行描述，試驗現象為構件靠近中部先發(fā)生局部屈曲，再隨著軸向壓力的增加，局部截面褶皺，即局部屈曲后導致鋼管構件發(fā)生整體失穩(wěn)。

表2 鋼板的試驗強度(t=6 mm)

根據測試結果，得到軸壓鋼管的典型荷載—應變曲線以及荷載—位移曲線如圖2，圖3所示，從中可以發(fā)現構件在達到屈服承載力之前，隨著軸壓荷載的增大，應力發(fā)展呈線性，位移變化很小;當軸壓荷載臨近或超過屈服承載力時，高強鋼管的側向變形明顯增大，這時說明構件出現了局部屈曲，而隨著軸壓荷載的繼續(xù)增大，位移劇烈增長，出現褶皺，最終發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖2 荷載—側向位移關系

圖3 荷載—軸向位移關系

需要指出的是，在不同構件的試驗過程中，出現了兩種破壞形態(tài)，一種為大部分構件的破壞形態(tài)，即側向變形隨著荷載的增加逐步增大，最終達到屈服失穩(wěn)的極值點失穩(wěn);另一種則為小部分構件的破壞，構件出現屈曲前，側向變形很小，臨近或者達到極限承載力時突然失穩(wěn)破壞的分支點失穩(wěn)形式，這與理論中的兩種壓桿的破壞模式一致。說明Q460高強鋼的失穩(wěn)破壞的性能和其余鋼材相似，同時試驗中沒有出現脆性破壞的情況，說明Q460高強鋼的延性較好。

3.3 承載力理論值與試驗值的比較分析

根據試驗數據可以得到鋼管的穩(wěn)定承載力，同時根據《鋼結構設計規(guī)范》軸心受壓穩(wěn)定承載力的計算理論計算得到穩(wěn)定承載力理論值，鑒于高強鋼管為冷彎直縫管，按b類截面進行穩(wěn)定承載力計算，承載力理論值與試驗值如表3所示。

表3 鋼管軸壓承載力

對比這兩組數據，可以發(fā)現Q460高強鋼管的屈服承載力試驗值與按我國規(guī)范計算得到的承載力吻合較好，鋼管直徑較小構件的穩(wěn)定承載力略大。試驗研究和理論分析表明Q460高強鋼材可以應用在輸電鋼管塔中，同時也說明了我國現有的規(guī)范可以應用Q460高強鋼的主要承載力計算。另外，不同長細比鋼管的試驗承載力對比，發(fā)現長細比大鋼管的穩(wěn)定承載力較理論計算值大，說明大長細比高強鋼管的計算承載力略偏于保守。

4 結語

通過Q460高強鋼管的軸壓承載力試驗研究和理論分析，可得到如下幾點結論:

1)Q460高強鋼鉸接軸壓試驗出現了分支點失穩(wěn)以及極值點失穩(wěn)兩種破壞形態(tài)，試驗得到的屈服承載力與按《規(guī)范》公式所計算的理論值吻合較好，可以認為現有的鋼結構規(guī)范仍適用于Q460高強鋼管的計算;

2)長細比大鋼管的穩(wěn)定承載力較理論計算值大，說明大長細比高強鋼管的計算承載力略偏于保守;

3)試驗中Q460高強鋼管沒有發(fā)生任何脆性破壞形象，達到極限承載力后且側向變形較大時脆性局部屈曲后發(fā)生整體失穩(wěn)破壞，說明高強鋼管具有良好的延性。

［1］李喜來，廖宗高，李曉光.中國輸電塔鋼結構現狀及市場情況［J］.中國鋼鐵業(yè)，2005(10):25-27.

［2］梁 浩.Q420高強鋼在輸電線路鐵塔上的應用研究［J］.上海電力，2009(4):298-303.

［3］楊隆宇，李正良，劉紅軍，等.鉸支軸心受壓高強鋼管的局部穩(wěn)定強度折減系數［J］.四川大學學報，2010，42(4):203-208.

［4］李正良，劉紅軍，張東英，等.Q460高強鋼在1000 kV桿塔的應用［J］.電網技術，2009，32(24):1-5.

［5］陳 驥.鋼結構穩(wěn)定理論與設計［M］.北京:科學出版社，2001:122.

［6］GB/T 228-2002，金屬材料室溫拉伸試驗方法［S］.

［7］DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結構設計規(guī)定［S］.

［8］GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范［S］.