Q460高强钢管轴压承载力的试验研究★

2012-04-12张大长朱小军

山西建筑 2012年19期

包涛张大长朱小军

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京 210009)

1 概述

目前，我国建筑结构及土木工程用钢主要是 Q235，Q345，Q390，Q420四种钢材，Q420钢是《钢结构设计规范》(2003版)中新增加的品种，这四种钢材也是当前我国建筑行业主要使用的钢种，相比美国、日本等国家我国的结构用钢的强度明显偏低。我国仅在少数民用建筑和塔架工程中应用高强钢，如2008奥运会体育馆——鸟巢部分采用了武钢生产的Q460钢，2005年投运的750 kV官厅—兰州东段输电线路工程采用了Q420钢［1，2］。

随着输电线路输送容量及电压等级不断提高，杆塔荷载和塔重不断增加，相对于角钢塔而言，高强钢管塔的应用将成为输电杆塔结构发展的趋势;但是，国内关于Q460高强钢管承载力特性的研究成果甚少［3，4］。因此，本文通过试验以及相关规范，研究Q460高强钢管的轴压承载力特性。

2 试验概况

2.1 试件设计

根据输电杆塔结构的相关设计规范，杆塔结构主材的长细比一般不大于150，同时为了满足经济型要求，小管径选用较大的长细比，大管径选用较小长细比;并结合实际输电线路工程的设计经验和应用情况，选取了三种长细比:λ=50，60，70。此外，在钢管试验构件的规格选取上，满足《钢结构设计规范》关于圆钢管的外径与厚度之比不超过(即=51)的规定，选择了以下三种径厚比的钢管，具体的Q460高强钢管规格见表1。

表1 钢管构件参数

2.2 试验方法

Q460高强钢管轴压承载力试验采用两端铰接加载。由于试验规格较大，单向及双向刀铰均不能很好满足试验承载力要求，所以，本次试验采用圆柱面单向铰(国内外已有试验研究应用);根据钢管构件的尺寸及方便加载，试验采用水平搁置的加载方式，试样竖向适当约束达到安全保护，试验加载方案如图1所示。

图1 铰接加载示意图

加载设备采用液压千斤顶进行单调加载，液压千斤顶的试验能力为10000 kN，构件两端设置单向铰后，一端连接千斤顶，另一端连接反力墙，通过反作用力对构件施加轴压力，采用100 kN进行分级加载，直到构件失稳破坏。试验规程中进行应变和位移用量测，每一级荷载采集一次数据。另外，为了使荷载和应变的变化稳定，在正式加载前进行预加载，大小为理论计算结果的10%。

3 试验结果

3.1 材性试验

从两方面考察材料的力学性能:

1)材料的抗拉性能，抗拉性能试验是在试件的两端施加轴向的拉力，使得试件达到屈服颈缩，最后拉断破坏，测量材料的屈服荷载和极限荷载;2)材料的冷弯性能，冷弯性能是让钢材在常温下加工发生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力，检验材料的冷弯性能是通过冷弯试验检验，如果试件弯曲180°，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格，试验结果见表2。材性试验表明Q460钢材试件的抗拉屈服承载力和极限承载力均能满足高强钢的强度等级要求。

3.2 轴压高强钢管的破坏形态

试验中对Q460高强钢管构件逐级的施加轴压荷载，每级荷载加载结束，记录各典型位置的应变和位移。各种条件下的高强钢管构件破坏形态大致相同，因此这里取φ356×8，λ=50的构件进行描述，试验现象为构件靠近中部先发生局部屈曲，再随着轴向压力的增加，局部截面褶皱，即局部屈曲后导致钢管构件发生整体失稳。

表2 钢板的试验强度(t=6 mm)

根据测试结果，得到轴压钢管的典型荷载—应变曲线以及荷载—位移曲线如图2，图3所示，从中可以发现构件在达到屈服承载力之前，随着轴压荷载的增大，应力发展呈线性，位移变化很小;当轴压荷载临近或超过屈服承载力时，高强钢管的侧向变形明显增大，这时说明构件出现了局部屈曲，而随着轴压荷载的继续增大，位移剧烈增长，出现褶皱，最终发生失稳破坏。

图2 荷载—侧向位移关系

图3 荷载—轴向位移关系

需要指出的是，在不同构件的试验过程中，出现了两种破坏形态，一种为大部分构件的破坏形态，即侧向变形随着荷载的增加逐步增大，最终达到屈服失稳的极值点失稳;另一种则为小部分构件的破坏，构件出现屈曲前，侧向变形很小，临近或者达到极限承载力时突然失稳破坏的分支点失稳形式，这与理论中的两种压杆的破坏模式一致。说明Q460高强钢的失稳破坏的性能和其余钢材相似，同时试验中没有出现脆性破坏的情况，说明Q460高强钢的延性较好。

3.3 承载力理论值与试验值的比较分析

根据试验数据可以得到钢管的稳定承载力，同时根据《钢结构设计规范》轴心受压稳定承载力的计算理论计算得到稳定承载力理论值，鉴于高强钢管为冷弯直缝管，按b类截面进行稳定承载力计算，承载力理论值与试验值如表3所示。

表3 钢管轴压承载力

对比这两组数据，可以发现Q460高强钢管的屈服承载力试验值与按我国规范计算得到的承载力吻合较好，钢管直径较小构件的稳定承载力略大。试验研究和理论分析表明Q460高强钢材可以应用在输电钢管塔中，同时也说明了我国现有的规范可以应用Q460高强钢的主要承载力计算。另外，不同长细比钢管的试验承载力对比，发现长细比大钢管的稳定承载力较理论计算值大，说明大长细比高强钢管的计算承载力略偏于保守。