Q460高強(qiáng)角鋼軸心受壓構(gòu)件極限承載力試驗(yàn)研究

曹現(xiàn)雷 徐勇 郝際平

摘 要：為研究Q460高強(qiáng)角鋼軸壓構(gòu)件的受力性能，采用靜力試驗(yàn)對試件破壞狀態(tài)和穩(wěn)定承載力進(jìn)行分析，兩端設(shè)置球鉸、單刀口鉸和雙刀口鉸支座，分析了不同鉸接方式對構(gòu)件受力性能的影響。結(jié)果表明，采用不同支座均能很好地反映桿件的受力性能;短構(gòu)件的極限承載力由鋼材強(qiáng)度控制，長細(xì)比變化對其影響很小，長細(xì)比等于30和45的試件以局部破壞為主，長細(xì)比等于60和80的桿件以整體彎曲失穩(wěn)為主。比較試驗(yàn)和各規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)值顯著高于中國DL/T 5154—2002桿塔技術(shù)規(guī)定計(jì)算值，與美國ASCE 10—97導(dǎo)則計(jì)算值吻合較好。

關(guān)鍵詞：

高強(qiáng)度鋼材;軸心受壓;試驗(yàn)研究;長細(xì)比

中圖分類號：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1674-4764（2018）06-0146-07

Experimental analysis on ultimate bearing capacity of Q460

high-strength angle members under axial compression

Cao Xianlei1，2 ， Xu Yong1， Hao Jiping3

（1.Department of Architecture Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243032， Anhui， P. R. China;

2.Jiangsu Province Key Laboratory of Structure Engineering， Suzhou 215011， Jiangsu， P. R. China;

3.College of Civil Engineering， Xi'an University of Architecture and Technology， Xi'an 710055， P. R. China）

Abstract：Laboratory experiments were carried out to investigate the behavior of Q460 high strength angle members under axial compression via the static testing method. The various supporting conditions， including the spherical hinge， single knife-edge and double knife-edge bearing， are applied to study their effects on bearing capacity of members. The results show that the supporting conditions can represent the behavior of specimens. Specimens with small slenderness ratio of 30 to 45， of which the ultimate bearing capacity are determined by strength of steel instead of slenderness ratio， are subjected to a local buckling failure. While specimens with large slenderness ratios of 60 to 80 are mainly subjected to global bending instability. Comprehensive comparisons indicate that the test results are in good agreement with the calculations from the American regulation ASCE10-97， and are significantly greater than those from the Chinese regulation of DL/T 5154-2002.

Keywords：high strength steel; axial compression; experimental research; slenderness ratio

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程對結(jié)構(gòu)材料高強(qiáng)化的要求日益顯著，隨著冶煉技術(shù)的不斷提高，生產(chǎn)出強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定的高強(qiáng)度鋼材已不再困難，這就使得高強(qiáng)角鋼運(yùn)用于輸電鐵塔成為可能。中國輸電線路鐵塔大多使用235、345 MPa等普通熱軋角鋼，相比日本、美國，品種單一且強(qiáng)度較低[1] ，因此，高強(qiáng)度角鋼的推廣很有必要。

已有不少學(xué)者對角鋼受壓構(gòu)件開展了相關(guān)研究[2-7] 。Usami等[8] 完成兩種等級等邊角鋼試驗(yàn)，表明小長細(xì)比桿件極限荷載與美國ASCE-1997導(dǎo)則[9] 計(jì)算值穩(wěn)合較好，大長細(xì)比試驗(yàn)值則大于ASCE值。Adluri等[10] 研究角鋼受壓構(gòu)件的屈曲模式，發(fā)現(xiàn)86版美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AISC-LRFD設(shè)計(jì)偏安全，擬合出角鋼構(gòu)件修正柱子曲線。曹現(xiàn)雷等[11] 研究了Q460單角鋼一端軸心一端偏心加載桿件破壞形態(tài)和受力性能，表明中國DL/T 5154—2002規(guī)范[12] 計(jì)算方法偏保守，提出改良ASCE后的設(shè)計(jì)方法。班慧勇等[13-14] 對高強(qiáng)角鋼軸壓柱受力性能進(jìn)行研究，給出的建議穩(wěn)定系數(shù)明顯超出GB 50017— 2003規(guī)范[15] 中的b類曲線，并基于數(shù)值分析提出涉及相關(guān)屈曲的設(shè)計(jì)方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材性試驗(yàn)

試件制作與試驗(yàn)過程均滿足中國規(guī)范[16-17] 相關(guān)規(guī)定，取樣位置如圖1所示，結(jié)果如表1、圖2所示。其中： b 為等邊角鋼肢寬度; f ?y為鋼材的屈服強(qiáng)度; f ?u為鋼材的抗拉強(qiáng)度; δ 為鋼材伸長率; E 為鋼材彈性模量; f ?u/ f ?y為鋼材強(qiáng)屈比; ε? y為屈曲應(yīng)變; ε? st 為初始強(qiáng)化應(yīng)變; ε? u為極限應(yīng)變。

1.2 試件概況

共設(shè)置48根軸壓試件，相同試件設(shè)置3組，包括4種角鋼規(guī)格和4種長細(xì)比，兩端支座采用球鉸、單刀口和雙刀口。為避免接觸面摩擦力過大導(dǎo)致球鉸不能正常轉(zhuǎn)動，將球鉸凹底座進(jìn)行剖面加工，使底座球面半徑擴(kuò)大。各試件實(shí)測尺寸如表2所示。表中： l 為試件平均實(shí)測高度，取角鋼兩肢的平均值，l = ?l 0 + t 0 ， l 0 為角鋼縱向長度， t 0 為端板厚度; B 為角鋼肢平均寬度; t 為角鋼肢平均厚度; A 為實(shí)測角鋼肢寬度和厚度對應(yīng)的截面面積。除球鉸支座試件，試件計(jì)算長度需考慮支座高度，其構(gòu)造如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用YES-500長柱試驗(yàn)機(jī)對受壓試件進(jìn)行豎向靜力加載，軸壓柱上、下兩端板中線對應(yīng)角鋼幾何中心，保證試件軸心加載。如圖4所示，試件采用球鉸、單刀口鉸和雙刀口鉸3種支座形式。為接近實(shí)際輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)約束條件，在球鉸處設(shè)置4根絲杠，防止加載過程中球鉸發(fā)生繞試件縱軸扭轉(zhuǎn);雙刀口支座兩刀口與角鋼兩肢平行，垂直通過角鋼形心;單刀口支座刀口正對角鋼最小幾何軸。刀口支座端板設(shè)有調(diào)平螺栓，方便試件放置。

試驗(yàn)參考承載力根據(jù)美國輸電鐵塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則ASCE 10-1997[9] 估算而得。將構(gòu)件安裝于試驗(yàn)機(jī)，幾何對中后施加3%的預(yù)加荷載，通過應(yīng)變片讀數(shù)調(diào)整試件位置，保證平均差值在5%內(nèi)。當(dāng)施加荷載小于50%極限承載力時(shí)，每級荷載取極限荷載的10%;施加荷載在極限荷載的50%～80%范圍內(nèi)，每級取5%;達(dá)80%后，取2%，直至試件破壞。級間持載1 min，用TDS602采集儀記錄各應(yīng)變片和儀表讀數(shù)。觀察卸載后試件形態(tài)，對大長細(xì)比試件壓力值卸至極限荷載的80%，小長細(xì)比試件卸至50%。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

僅對具有代表性的長細(xì)比為30的L12510-30-1和長細(xì)比為80的L12510-80-1兩個(gè)試件試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述。

2.1.1 L12510-30-1試件現(xiàn)象? 圖6為桿件破壞形態(tài)、中截面荷載 位移和應(yīng)變關(guān)系。圖中： Δ為縱向位移，δ為橫向位移，ε為截面應(yīng)變。

加載初期，試件無明顯變形;臨近試件破壞，荷載 位移關(guān)系斜率減小，試件處于彈塑性階段，角鋼端部兩肢繞縱軸同向轉(zhuǎn)動，一肢向外鼓曲變形，另一肢向內(nèi)鼓曲，在荷載 應(yīng)變曲線上，1、2號百分表針向內(nèi)壓縮，3、4號百分表向外伸長，中截面應(yīng)變片為正值，說明此測點(diǎn)受壓力作用;繼續(xù)增加荷載，試件端部變形加快，很快達(dá)到極限荷載1 175 kN，無法繼續(xù)承載，超過此荷載，隨著壓力減小，試件軸向位移、角鋼扭轉(zhuǎn)變形反而加速，試件發(fā)生以局部屈曲為主的彎扭失穩(wěn)破壞。

2.1.2 L12510-80-1試件破壞現(xiàn)象? 圖7為試件破壞形態(tài)、中截面荷載 位移和應(yīng)變關(guān)系。

加載初期，試件無明顯變形;壓力達(dá)到200 kN后，試件向角鋼肢背有彎曲變形趨勢;在臨近極限破壞前，各百分表讀數(shù)變化緩慢，試件彎曲變形均勻，中截面6號和7號測點(diǎn)應(yīng)變值大于5號和8號應(yīng)變值，說明發(fā)生繞最小幾何軸彎曲變形，角鋼肢背處所受壓力較肢尖處大。荷載繼續(xù)增加，肢尖處5號、8號應(yīng)變由正值變?yōu)樨?fù)值，肢尖應(yīng)力由壓轉(zhuǎn)為拉，且6號、7號應(yīng)變值持續(xù)增加，直至試件達(dá)到荷載極限500 kN，百分表讀數(shù)迅速增大，試件發(fā)生繞最小幾何軸的彎曲失穩(wěn)破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

Q460高強(qiáng)角鋼構(gòu)件軸壓試驗(yàn)結(jié)果見圖8，數(shù)值均取同類構(gòu)件的平均值。同組試件結(jié)果相差不大，說明在同等條件下試驗(yàn)效果良好，能夠在該條件下較準(zhǔn)確地表達(dá)試件受力現(xiàn)象。同類桿件雙刀口支座承載力與單刀口試件相差不大。

2.2.1 試驗(yàn)值與規(guī)范計(jì)算值比較? 長細(xì)比為30和45的試件兩端采用球鉸支座，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)剖面加工的球鉸未能達(dá)到預(yù)期效果，仍無法自由轉(zhuǎn)動，如同固定條件，需采用等效計(jì)算長度來表示桿實(shí)際長度，根據(jù)約束條件將其簡化為兩端鉸接的桿，對于兩端固定的軸心壓桿，計(jì)算長度系數(shù)為0.5，建議值為0.65[18] 。 P? A 1 和 P? A 2 為ASCE按照上述兩種取值的荷載計(jì)算值，兩值相差在-0.3%～+2.3%范圍內(nèi)。

由表3可知，長細(xì)比等于30和45的Q460高強(qiáng)角鋼桿件，其承載力分別比GB50017規(guī)范、ASCE導(dǎo)則和DL/T 5154規(guī)范計(jì)算值高出+52.09% ～+92.27%、 +2.8%～+22.8%和-0.48%～ +36.99%; 對于大長細(xì)比試件，其試驗(yàn)值分別高+13.35% ～+76.88%、-19.2%～+29.1%和+14.39% ～+103.84%?？梢?，GB 50017規(guī)范較ASCE導(dǎo)則和DL/T 5154規(guī)范過于保守，難以達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，原因在于，中國規(guī)范所采用的穩(wěn)定系數(shù)小于美國ASCE導(dǎo)則中的穩(wěn)定系數(shù)，且中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范并未規(guī)定寬厚比超限構(gòu)件相關(guān)承載力計(jì)算方法。相比其他兩種規(guī)范，美國ASCE導(dǎo)則理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果差值在可接受范圍內(nèi)。綜上可見，對于Q460高強(qiáng)角鋼軸心受構(gòu)件的極限承載力計(jì)算方法，不適用直接套用GB 50017—2003和DL/T 5154—2002規(guī)范中用于計(jì)算低強(qiáng)度角鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論。

2.2.2 GB 50017—2003與ASCE 10-1997計(jì)算值比較? 美國ASCE導(dǎo)則計(jì)算值明顯高于GB 50017規(guī)范值，原因在于，中國規(guī)范GB 50017—2003是以普通碳素鋼Q235為基礎(chǔ)的理論推導(dǎo)，考察缺陷擬合成佩里形式的柱子曲線表達(dá)式;而ASCE則按類同于中國Q345鋼，采用試驗(yàn)方法擬合成拋物線形式的計(jì)算公式。兩者所適用鋼材的范圍不同，且理論方法難以精確描述與實(shí)際構(gòu)件相符的邊界約束條件。

2.2.3 長細(xì)比對試驗(yàn)結(jié)果的影響? 由圖8可知，同類截面承載力隨長細(xì)比的增大而減小，長細(xì)比等于30和45的桿件以局部破壞為主，大長細(xì)比等于60和80的桿件以彎扭失穩(wěn)為主。達(dá)到極限荷載時(shí)，小長細(xì)比試件中截面受壓力作用，大長細(xì)比不僅有壓力作用，還有受壓區(qū)域。除個(gè)別試件，桿件隨長細(xì)比增大，承載力下降幅度增大。名義長細(xì)比等于30和45的同截面試件承載力相差不大，原因在于，其實(shí)際長細(xì)比則分別小于20和30，此時(shí)由強(qiáng)度控制試件承載力，長細(xì)比的改變對桿件影響很小。

3 結(jié)論

對Q460高強(qiáng)度角鋼構(gòu)件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，將結(jié)果與理論值比較，得出以下結(jié)論：

1）同組3根桿件的變化過程、破壞形態(tài)和應(yīng)力變化情況基本相同， 同類桿件長細(xì)比越大，試件承載力越低，長細(xì)比為30和45的試件以局部破壞為主，長細(xì)比為60和80的試件以整體受彎失穩(wěn)為主。

2）Q460高強(qiáng)角鋼軸壓構(gòu)件試驗(yàn)值與ASCE 10-1997的計(jì)算結(jié)果相差不大，根據(jù)DT/T 5154—2002規(guī)范設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼桿件較保守，其計(jì)算值偏小。中國規(guī)范中針對普通低強(qiáng)角鋼軸壓構(gòu)件承載力計(jì)算方法不適用于Q460高強(qiáng)角鋼。

3）長細(xì)比為30和45的試件，根據(jù)美國ASCE導(dǎo)則采用0.5或0.65計(jì)算長度系數(shù)的承載力計(jì)算差值在-0.3%～+2.3%之間，試驗(yàn)值也相差不大，說明長細(xì)比變化對小長細(xì)比試件承載力影響很小。

參考文獻(xiàn)：

[1]???何長華. 高強(qiáng)冷彎型鋼在輸電鐵塔上應(yīng)用可行性的探討[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 2004， 19（5）： 35-37.

HE C H. Feasibility discussion on application of high-strength cold-formed section steel in transmission towers [J]. Steel Construction， 2004， 19（5）： 35-37. （in Chinese）

[2]? AL-SAYED ?S H， BJORHOVDE R. Inelastic behavior of single angle columns [J]. Journal of Constructional Steel Research， 1989， 12（2）： 103-118.

[3]? ELGAALY ?M， DAGHER H， DAVIDS W. Behavior of single-angle-compression members [J]. Journal of Structural Engineering， 1991， 117（12）： 3720-3741.

[4]? YOUNG ?B， ELLOBODY E. Buckling analysis of cold-formed steel lipped angle columns [J]. Journal of Structural Engineering， 2005， 131（10）： 1570-1579.

[5]?? 曹現(xiàn)雷， 郝際平， 張?zhí)旃猓?等. 新型Q460高強(qiáng)度鋼材在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2011， 32（1）： 79-82.

CAO X L， HAO J P， ZHANG T G， et al. Engineering application of new high-strength steel Q460 in transmission towers [J]. Journal of North China Institute of Water Conservancy Hydroelectric Power， 2011， 32（1）： 79-82. （in Chinese）

[6]?? 郭宏超， 郝際平， 簡政， 等. 基于不同試驗(yàn)方法的高強(qiáng)等邊角鋼穩(wěn)定性研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2013（13）： 51-54.

GUO H C， HAO J P， JIAN Z， et al. Stability study of high strength equal angle steel based on different test methods [J]. Building Structure， 2013（13）： 51-54. （in Chinese）

[7]?? 曹珂， 郭耀杰， 曾德偉， 等. 大規(guī)格Q420高強(qiáng)度角鋼構(gòu)件軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2014， 35（5）： 65-72.

CAO K， GUO Y J， ZENG D W， et al. Experimental research on mechanical behavior of large-section and Q420 high-strength angle members under axial compression [J]. Journal of Building Structures， 2014， 35（5）： 65-72. （in Chinese）

[8]? USAMI ?T， GALAMBOS T V. On the strength of restrained single-angle columns under biaxial bending [J]. Papers and Reports of Japanese Society of Civil Engineering， 1971， 191： 31-44.

[9]? Design ?of latticed steel transmission structures： ASCE 10-1997 [S]. American， 1997.

[10]? ADLURI ?S M R， MADUGULA M K S. Torsional- flexural buckling strength of steel angles [J]. Canadian Journal of Civil Engineering， 1996， 23： 260-271.

[11]?? 曹現(xiàn)雷， 郝際平， 曹志民， 等. 高強(qiáng)單角鋼一端偏心壓桿極限承載力試驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程， 2009， 31（5）： 1-8.

CAO X L， HAO JP， CAO Z M， et al. Ultimate bearing capacity analysis of high-strength single-angle compression member eccentrically at one end [J]. Journal of Civil， Architectural & Environmental Engineering， 2009， 31（5）： 1-8. （in Chinese）

[12]?? 架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定： DL/T 5154—2002 [S]. 北京： 中國電力出版社， 2002.

Technical regulation of design for tower and pole structures of overhead transmission line： DL/T 5154-2002 [S]. Beijing： China Electric Power Press， 2002. （in Chinese）

[13]?? 班慧勇， 施剛， 劉釗， 等. Q420等邊角鋼軸壓桿整體穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2011， 32（2）： 60-67.

BAN H Y， SHI G， LIU Z， et al. Experimental study on overall buckling behavior of Q420 high strength equal angle members under axial compression [J]. Journal of Building Structures， 2011， 32（2）： 60-67. （in Chinese）

[14]?? 班慧勇， 施剛， 石永久. Q420高強(qiáng)度等邊角鋼軸壓構(gòu)件整體穩(wěn)定性能設(shè)計(jì)方法研究[J]. 工程力學(xué)， 2014， 31（3）： 63-71.

BAN H Y， SHI G， SHI Y J. Investigation on design method of overall buckling behavior for Q420 high strength steel equal-leg angle members under axial compression [J]. Engineering Mechanics， 2014， 31（3）： 63-71. （in Chinese）

[15]?? 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50017—2003 [S]. 北京： 中國計(jì)劃出版社， 2003.

Code for design of steel structures： GB 50017-2003 [S]. Beijing： China Planning Press， 2003. （in Chinese）

[16]?? 鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備： GB/T 2975—1998 [S]. 北京： 中國計(jì)劃出版社， 2004.

Steel and steel products location and preparation： GB/T 2975-1998 [S]. Beijing： China Planning Press， 2004. （in Chinese）

[17]?? 金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法：GB/T 228.1—2010 [S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2011.

Metallic materials-Tensile testing-Part 1：Method of test at room temperature： GB/T 228.1-2010 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2011. （in Chinese）

[18]?? 陳紹蕃， 顧強(qiáng). 鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) [M]. 3版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2014.

CHEN S F， GU Q. The Foundation of Steel Structures [M]. 3rd ed. Beijing： China Architecture & Building Press， 2014. （in Chinese）