Q420高強(qiáng)角鋼子結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗研究*

孫立建，劉云賀，郭宏超，寧致遠(yuǎn)

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048)

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Q420高強(qiáng)角鋼子結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗研究*

孫立建，劉云賀，郭宏超，寧致遠(yuǎn)

(西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安 710048)

為研究哈密北部750 kV輸電塔架實際工程中的Q420高強(qiáng)角鋼的力學(xué)性能，對三種不同主桿節(jié)間長度的Q420高強(qiáng)角鋼輸電塔腿試件進(jìn)行了破壞性靜力試驗.在試驗研究的基礎(chǔ)上，對Q420高強(qiáng)角鋼的材料性能、極限承載力、破壞模式和應(yīng)變幅值等進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：子結(jié)構(gòu)中Q420高強(qiáng)角鋼的極限承載力遠(yuǎn)大于相同長細(xì)比單根角鋼的承載力，且隨著主桿節(jié)間長度的增大，其極限承載力呈減小趨勢；子結(jié)構(gòu)的破壞模式主要為Q420高強(qiáng)角鋼主桿的扭轉(zhuǎn)屈曲，且變形主要發(fā)生在子結(jié)構(gòu)的底部.

高強(qiáng)角鋼；輸電塔；承載力；力學(xué)性能

國內(nèi)在輸電線路塔架中成功采用Q420高強(qiáng)鋼，在電網(wǎng)建設(shè)中使用高強(qiáng)鋼具有明顯的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，為高強(qiáng)鋼的廣泛應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)[1].國內(nèi)外研究學(xué)者的研究表明[2-4]，在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，由于高強(qiáng)鋼的優(yōu)異性能，使得高強(qiáng)度鋼材比普通鋼材得到了更好的使用，高強(qiáng)度鋼材的應(yīng)用前景十分廣闊.國內(nèi)的一些實際工程表明[5]，鋼結(jié)構(gòu)中采用Q420高強(qiáng)鋼在使得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載力大大提高時，與Q345鋼相比，項目的成本反而有一定程度的降低.

然而，目前國內(nèi)外關(guān)于高強(qiáng)鋼子結(jié)構(gòu)的承載力和失穩(wěn)模式的研究較少，因此，迫切需要對子結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及其應(yīng)用做出研究.文獻(xiàn)[6]對一端偏心連接的Q460高強(qiáng)角鋼作為輸電鐵塔橫擔(dān)子結(jié)構(gòu)的受力性能及極限承載力，進(jìn)行了破壞性靜力試驗研究.文獻(xiàn)[7]對Q460高強(qiáng)角鋼兩端偏心子結(jié)構(gòu)壓桿進(jìn)行了試驗研究和仿真對比分析，并指出《美國輸電線路設(shè)計導(dǎo)則》(ASCE 10-1997)在工程設(shè)計中的適用性[8].

本文對Q420高強(qiáng)角鋼作為輸電塔腿主桿的子結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行靜力試驗研究，系統(tǒng)分析三種不同主桿節(jié)間長度子結(jié)構(gòu)的極限承載力、破壞模式和應(yīng)變幅值等指標(biāo)，為Q420高強(qiáng)角鋼在實際工程中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)依據(jù).

1　試驗方法

1.1試件設(shè)計

為研究子結(jié)構(gòu)中Q420高強(qiáng)角鋼的力學(xué)性能，對輸電塔架塔腿的三維桁架模型試件開展了破壞性靜力試驗.試驗子結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式如圖1所示，圖1中A，B，C和D表示子結(jié)構(gòu)的節(jié)點編號，AB，BC和CD分別表示子結(jié)構(gòu)主桿的底跨、中跨和上跨，主桿選用Q420高強(qiáng)角鋼，型號為L125×8；斜桿選用型號為L100×8的Q235角鋼，腹桿選用型號為L63×5的Q235角鋼.根據(jù)主桿長度的不同，試驗分三組，每組設(shè)計3個試件，主桿長度為1 700 mm、2 075 mm和2 450 mm，腹桿將主桿等分為三段，相應(yīng)的主桿節(jié)間長度分別為500 mm、625 mm和750 mm，所有試件均在試驗室現(xiàn)場定位、打孔及拼接.

連接螺栓選用強(qiáng)度為6.8級的M16規(guī)格鍍鋅粗制螺栓，螺栓孔徑為 ?18 mm.試件編號及試驗角鋼實測尺寸見表1.表1中，L,A,B,T為角鋼尺寸參數(shù).

圖1　子結(jié)構(gòu)具體構(gòu)造

表1中數(shù)值取三組試件實測數(shù)據(jù)的平均值，編號意義以ZL125×8-500為例，Z表示子結(jié)構(gòu)，L125×8表示高強(qiáng)角鋼型號，500表示子結(jié)構(gòu)主桿節(jié)點長度[9].

1.2試驗裝置

子結(jié)構(gòu)組裝完成后，吊裝至試驗機(jī)上.通過長柱試驗機(jī)對子結(jié)構(gòu)施加豎向荷載，經(jīng)TDS-303型數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù).為使試驗角鋼軸心受壓，需對子結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的對中操作，對中過程分兩步：① 進(jìn)行幾何對中，即調(diào)整子結(jié)構(gòu)主桿質(zhì)心位置與試驗機(jī)加載中心位置對應(yīng)；② 進(jìn)行物理對中，對子結(jié)構(gòu)施加60 kN荷載，通過監(jiān)測加載過程中各截面應(yīng)變片的數(shù)值是否同步且均勻變化，并根據(jù)各截面不同位置的應(yīng)變大小，微調(diào)子結(jié)構(gòu)位置，直到各個應(yīng)變的數(shù)值基本一致(各個應(yīng)變差值不超過5%)為止.

1.3測點布置

應(yīng)變片、位移計的布置如圖2所示.圖2中A,B,C和D表示子結(jié)構(gòu)的節(jié)點，1,2,3表示剖切位置，11～16為應(yīng)變片安裝位置.為了試件安裝過程中的物理對中及加載過程中監(jiān)測試件的破壞模式，在子結(jié)構(gòu)主桿每跨跨中截面均勻布置6個應(yīng)變片；為監(jiān)測子結(jié)構(gòu)主桿每跨跨中截面的變形，在每跨跨中各布置2個位移計；為監(jiān)測豎向位移隨荷載的變化規(guī)律，在子結(jié)構(gòu)上端和下端各布置1個位移計.

表1　角鋼實際尺寸Tab.1　Actual size of tested angle steel

1.4加載方案

試驗正式之前預(yù)加載時，對子結(jié)構(gòu)預(yù)先施加60 kN荷載，用于檢查儀表是否正常工作，并校核物理對中.正式加載時，豎向荷載分3個階段施加.當(dāng)荷載小于極限荷載的50%時，每級所施加的荷載取破壞荷載的10%；當(dāng)荷載為極限荷載的50%～80%時，每級所施加的荷載取破壞荷載的5%；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%后，荷載增量調(diào)整為2%，每級持荷1 min.當(dāng)加載過程中各儀表讀數(shù)出現(xiàn)突變現(xiàn)象時，判段子結(jié)構(gòu)處于臨界破壞狀態(tài)，停止加載.

圖2　測點布置圖

2　試驗分析

2.1材料性能試驗

子結(jié)構(gòu)試驗開始前，先對Q420高強(qiáng)角鋼主材進(jìn)行材料性能試驗研究.材料性能試驗設(shè)計了3個試件，試件的取樣及加工均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB 2975-1998)規(guī)定[10].試驗操作按《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》(GB/T 228.1-2010)規(guī)定進(jìn)行[11]，所有試件均在拉力試驗機(jī)上完成.材料性能試驗測得鋼材的屈服強(qiáng)度平均值為462.4 MPa，極限強(qiáng)度平均值為601.5 MPa，強(qiáng)屈比為 1.30，彈性模量為2.01×105MPa，伸長率為23.93%.

2.2破壞模式

本文3種子結(jié)構(gòu)加載初期的試驗現(xiàn)象基本相同，子結(jié)構(gòu)無明顯變形.隨著荷載的增加，子結(jié)構(gòu)不斷發(fā)出輕微的響聲，AB跨的位移計數(shù)值持續(xù)增加，同時高強(qiáng)角鋼AB跨的肢尖逐漸向面外產(chǎn)生彎曲變形.

加載后期的試驗現(xiàn)象略有不同.子結(jié)構(gòu) ZL125×8- 625和ZL125×8- 500的試驗現(xiàn)象基本相同，當(dāng)荷載加至一定數(shù)值時，AB跨的位移計數(shù)值突然增大，與本跨連接的斜桿和腹桿因變形過大，發(fā)出較大的響聲，整個子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的彎扭變形，Q420高強(qiáng)角鋼主桿的BC,CD跨及其他斜桿和腹桿均無明顯變形，此時子結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力.ZL125×8-750的不同之處在于：當(dāng)主桿AB跨出現(xiàn)較大的面外彎曲變形時，BC跨也產(chǎn)生了一定的彎曲變形，當(dāng)卸載后，BC跨的變形恢復(fù).

以上3種子結(jié)構(gòu)的破壞位置主要在Q420高強(qiáng)角鋼主桿的AB跨，即離加載端較近的部位.試件的破壞模式如圖3所示.

圖3　子結(jié)構(gòu)破壞模式

2.3極限承載力

在豎向荷載作用下，子結(jié)構(gòu)施加的荷載與豎向位移之間的關(guān)系曲線如圖4所示.

從圖4可以看出，子結(jié)構(gòu)從加載到破壞的整個過程中，有很大的變形量，這表明Q420高強(qiáng)角鋼具有良好的延性性能.子結(jié)構(gòu)ZL125×8-750，ZL125×8-625和ZL125×8-500的荷載-位移曲線的形狀非常相似.

圖4　荷載-豎向位移曲線

其中，子結(jié)構(gòu)ZL125×8-500的極限承載力略

高于其他兩種主桿節(jié)間長度的子結(jié)構(gòu)，子結(jié)構(gòu)ZL125×8-750的極限承載力最小，這表明Q420高強(qiáng)角鋼主桿節(jié)間長度對子結(jié)構(gòu)的承載力有一定的影響，即隨著主桿節(jié)間長度的增大，子結(jié)構(gòu)承載力呈降低趨勢.荷載加載到極限承載力之后，子結(jié)構(gòu)的承載能力急速下降.當(dāng)荷載下降到極限承載力的80%左右時，子結(jié)構(gòu)的承載能力能基本保持穩(wěn)定，這表明高強(qiáng)角鋼有很好的承載性能.

2.4應(yīng)變分析

子結(jié)構(gòu)AB跨所有測量點的荷載-應(yīng)變之間的關(guān)系曲線如圖5所示.圖5中0～9為測量點序號.

在整個試驗加載過程中，子結(jié)構(gòu)的主要破壞位置為主桿AB跨，因此主要對AB跨的應(yīng)變進(jìn)行分析.從圖5中可以看出，子結(jié)構(gòu)負(fù)載在極限承載力的80%之前，所有測量點的載荷-應(yīng)變曲線幾乎重合，這表明子結(jié)構(gòu)處于軸向壓縮狀態(tài).隨著子結(jié)構(gòu)負(fù)載的增加，測量點的應(yīng)變逐漸出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，即一面受壓一面受拉，這表明Q420高強(qiáng)角鋼主桿開始屈服，且出現(xiàn)了彎曲變形，試驗數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象很好的對應(yīng).

圖5　荷載-應(yīng)變曲線

3　結(jié) 論

根據(jù)Q420高強(qiáng)角鋼子結(jié)構(gòu)的破壞性靜力試驗，所得結(jié)論為

1) 子結(jié)構(gòu)中Q420高強(qiáng)角鋼的破壞模式為扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，破壞位置為高強(qiáng)角鋼的AB跨.

2) Q420高強(qiáng)角鋼主桿的節(jié)間長度越小，子結(jié)構(gòu)的極限承載力越大，即承載力與節(jié)間長度成反比例關(guān)系.

3) 子結(jié)構(gòu)破壞后，其承載力降低幅度不大，仍有一定的承載能力，這表明Q420高強(qiáng)角鋼具有良好的承載性能.

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(責(zé)任編輯、校對張超)

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

國家自然科學(xué)基金(51308454)；陜西省自然科學(xué)基金(2013JQ7006)；陜西省教育廳自然科學(xué)專項(2013JK0967)

孫立建(1990-)，男，西安理工大學(xué)博士研究生.

劉云賀(1968-)，男，西安理工大學(xué)教授，主要研究方向為結(jié)構(gòu)抗震和防震減災(zāi).E-mail：liuyunhe1968@163.com.

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1673-9965(2016)08-0629-05