Q420高强角钢子结构的力学性能试验研究*

孙立建，刘云贺，郭宏超，宁致远

(西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048)



Q420高强角钢子结构的力学性能试验研究*

孙立建，刘云贺，郭宏超，宁致远

(西安理工大学 土木建筑工程学院，西安 710048)

为研究哈密北部750 kV输电塔架实际工程中的Q420高强角钢的力学性能，对三种不同主杆节间长度的Q420高强角钢输电塔腿试件进行了破坏性静力试验.在试验研究的基础上，对Q420高强角钢的材料性能、极限承载力、破坏模式和应变幅值等进行了分析.结果表明：子结构中Q420高强角钢的极限承载力远大于相同长细比单根角钢的承载力，且随着主杆节间长度的增大，其极限承载力呈减小趋势；子结构的破坏模式主要为Q420高强角钢主杆的扭转屈曲，且变形主要发生在子结构的底部.

高强角钢；输电塔；承载力；力学性能

国内在输电线路塔架中成功采用Q420高强钢，在电网建设中使用高强钢具有明显的经济技术优势，为高强钢的广泛应用打下了良好的基础[1].国内外研究学者的研究表明[2-4]，在钢结构应用方面，由于高强钢的优异性能，使得高强度钢材比普通钢材得到了更好的使用，高强度钢材的应用前景十分广阔.国内的一些实际工程表明[5]，钢结构中采用Q420高强钢在使得结构的强度和承载力大大提高时，与Q345钢相比，项目的成本反而有一定程度的降低.

然而，目前国内外关于高强钢子结构的承载力和失稳模式的研究较少，因此，迫切需要对子结构的力学性能及其应用做出研究.文献[6]对一端偏心连接的Q460高强角钢作为输电铁塔横担子结构的受力性能及极限承载力，进行了破坏性静力试验研究.文献[7]对Q460高强角钢两端偏心子结构压杆进行了试验研究和仿真对比分析，并指出《美国输电线路设计导则》(ASCE 10-1997)在工程设计中的适用性[8].

本文对Q420高强角钢作为输电塔腿主杆的子结构试件进行静力试验研究，系统分析三种不同主杆节间长度子结构的极限承载力、破坏模式和应变幅值等指标，为Q420高强角钢在实际工程中的应用提供基础依据.

1　试验方法

1.1试件设计

为研究子结构中Q420高强角钢的力学性能，对输电塔架塔腿的三维桁架模型试件开展了破坏性静力试验.试验子结构构造形式如图1所示，图1中A，B，C和D表示子结构的节点编号，AB，BC和CD分别表示子结构主杆的底跨、中跨和上跨，主杆选用Q420高强角钢，型号为L125×8；斜杆选用型号为L100×8的Q235角钢，腹杆选用型号为L63×5的Q235角钢.根据主杆长度的不同，试验分三组，每组设计3个试件，主杆长度为1 700 mm、2 075 mm和2 450 mm，腹杆将主杆等分为三段，相应的主杆节间长度分别为500 mm、625 mm和750 mm，所有试件均在试验室现场定位、打孔及拼接.

连接螺栓选用强度为6.8级的M16规格镀锌粗制螺栓，螺栓孔径为 ∅18 mm.试件编号及试验角钢实测尺寸见表1.表1中，L,A,B,T为角钢尺寸参数.

图1　子结构具体构造

表1中数值取三组试件实测数据的平均值，编号意义以ZL125×8-500为例，Z表示子结构，L125×8表示高强角钢型号，500表示子结构主杆节点长度[9].

1.2试验装置

子结构组装完成后，吊装至试验机上.通过长柱试验机对子结构施加竖向荷载，经TDS-303型数据采集仪采集数据.为使试验角钢轴心受压，需对子结构进行精确的对中操作，对中过程分两步：① 进行几何对中，即调整子结构主杆质心位置与试验机加载中心位置对应；② 进行物理对中，对子结构施加60 kN荷载，通过监测加载过程中各截面应变片的数值是否同步且均匀变化，并根据各截面不同位置的应变大小，微调子结构位置，直到各个应变的数值基本一致(各个应变差值不超过5%)为止.

1.3测点布置

应变片、位移计的布置如图2所示.图2中A,B,C和D表示子结构的节点，1,2,3表示剖切位置，11～16为应变片安装位置.为了试件安装过程中的物理对中及加载过程中监测试件的破坏模式，在子结构主杆每跨跨中截面均匀布置6个应变片；为监测子结构主杆每跨跨中截面的变形，在每跨跨中各布置2个位移计；为监测竖向位移随荷载的变化规律，在子结构上端和下端各布置1个位移计.

表1　角钢实际尺寸Tab.1　Actual size of tested angle steel

1.4加载方案

试验正式之前预加载时，对子结构预先施加60 kN荷载，用于检查仪表是否正常工作，并校核物理对中.正式加载时，竖向荷载分3个阶段施加.当荷载小于极限荷载的50%时，每级所施加的荷载取破坏荷载的10%；当荷载为极限荷载的50%～80%时，每级所施加的荷载取破坏荷载的5%；当荷载达到极限荷载的80%后，荷载增量调整为2%，每级持荷1 min.当加载过程中各仪表读数出现突变现象时，判段子结构处于临界破坏状态，停止加载.

图2　测点布置图

2　试验分析

2.1材料性能试验

子结构试验开始前，先对Q420高强角钢主材进行材料性能试验研究.材料性能试验设计了3个试件，试件的取样及加工均符合国家标准《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》(GB 2975-1998)规定[10].试验操作按《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》(GB/T 228.1-2010)规定进行[11]，所有试件均在拉力试验机上完成.材料性能试验测得钢材的屈服强度平均值为462.4 MPa，极限强度平均值为601.5 MPa，强屈比为 1.30，弹性模量为2.01×105MPa，伸长率为23.93%.

2.2破坏模式

本文3种子结构加载初期的试验现象基本相同，子结构无明显变形.随着荷载的增加，子结构不断发出轻微的响声，AB跨的位移计数值持续增加，同时高强角钢AB跨的肢尖逐渐向面外产生弯曲变形.

加载后期的试验现象略有不同.子结构 ZL125×8- 625和ZL125×8- 500的试验现象基本相同，当荷载加至一定数值时，AB跨的位移计数值突然增大，与本跨连接的斜杆和腹杆因变形过大，发出较大的响声，整个子结构出现明显的弯扭变形，Q420高强角钢主杆的BC,CD跨及其他斜杆和腹杆均无明显变形，此时子结构达到极限承载力.ZL125×8-750的不同之处在于：当主杆AB跨出现较大的面外弯曲变形时，BC跨也产生了一定的弯曲变形，当卸载后，BC跨的变形恢复.

以上3种子结构的破坏位置主要在Q420高强角钢主杆的AB跨，即离加载端较近的部位.试件的破坏模式如图3所示.

图3　子结构破坏模式

2.3极限承载力

在竖向荷载作用下，子结构施加的荷载与竖向位移之间的关系曲线如图4所示.

从图4可以看出，子结构从加载到破坏的整个过程中，有很大的变形量，这表明Q420高强角钢具有良好的延性性能.子结构ZL125×8-750，ZL125×8-625和ZL125×8-500的荷载-位移曲线的形状非常相似.

图4　荷载-竖向位移曲线

其中，子结构ZL125×8-500的极限承载力略

高于其他两种主杆节间长度的子结构，子结构ZL125×8-750的极限承载力最小，这表明Q420高强角钢主杆节间长度对子结构的承载力有一定的影响，即随着主杆节间长度的增大，子结构承载力呈降低趋势.荷载加载到极限承载力之后，子结构的承载能力急速下降.当荷载下降到极限承载力的80%左右时，子结构的承载能力能基本保持稳定，这表明高强角钢有很好的承载性能.

2.4应变分析

子结构AB跨所有测量点的荷载-应变之间的关系曲线如图5所示.图5中0～9为测量点序号.

在整个试验加载过程中，子结构的主要破坏位置为主杆AB跨，因此主要对AB跨的应变进行分析.从图5中可以看出，子结构负载在极限承载力的80%之前，所有测量点的载荷-应变曲线几乎重合，这表明子结构处于轴向压缩状态.随着子结构负载的增加，测量点的应变逐渐出现分叉现象，即一面受压一面受拉，这表明Q420高强角钢主杆开始屈服，且出现了弯曲变形，试验数据与试验现象很好的对应.

图5　荷载-应变曲线

3　结 论

根据Q420高强角钢子结构的破坏性静力试验，所得结论为

1) 子结构中Q420高强角钢的破坏模式为扭转失稳，破坏位置为高强角钢的AB跨.

2) Q420高强角钢主杆的节间长度越小，子结构的极限承载力越大，即承载力与节间长度成反比例关系.

3) 子结构破坏后，其承载力降低幅度不大，仍有一定的承载能力，这表明Q420高强角钢具有良好的承载性能.

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(责任编辑、校对张超)

Experimental Study on Mechanical Behavior of Q420 High-Strength Angle Steel in Substructure

SUNLijian，LIUYunhe，GUOHongchao，NINGZhiyuan

(School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

To study the mechanical behavior of Q420 high-strength angle steel of 750 kV transmission tower in north Hami,the destructive static tests of Q420 high-strength angle steel with three different main stem internodal length of transmission tower legs were conducted.Based on the experimental research,the material property,ultimate bearing capacity,failure modes and deformation amplitude of Q420 high-strength angle steel were analyzed deeply.The results show:The ultimate bearing capacity of the substructure of the Q420 high-strength angle steel is greater than the bearing capacity of single angle steel with same slenderness ratio,and with the increase of the main stem internodal length,the ultimate bearing capacity decreases;The failure modes of the substructure is mainly torsional buckling of the Q420 high-strength angle steel,which mainly occurs in the bottom of the substructure.

high-strength angle steel；transmission tower；bearing capacity；mechanical behavior

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.005

2015-07-12

国家自然科学基金(51308454)；陕西省自然科学基金(2013JQ7006)；陕西省教育厅自然科学专项(2013JK0967)

孙立建(1990-)，男，西安理工大学博士研究生.

刘云贺(1968-)，男，西安理工大学教授，主要研究方向为结构抗震和防震减灾.E-mail：liuyunhe1968@163.com.

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1673-9965(2016)08-0629-05