寧致遠(yuǎn)，梅莎，黨康寧，陶磊，劉云賀

(1.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.三亞市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，海南 三亞 572000)

隨著我國(guó)電力事業(yè)高速發(fā)展，高強(qiáng)角鋼在一些高壓、特高壓輸電線路和大截面導(dǎo)線輸電線路的輸電塔等結(jié)構(gòu)中逐漸被采用[1-3]。2005年我國(guó)第一條750 kV超高壓示范輸電線路(青海官?gòu)d—蘭州東)投入運(yùn)營(yíng)，工程首次采用了Q420高強(qiáng)角鋼，工程研究表明：與Q345鋼材相比，采用Q420高強(qiáng)鋼，其強(qiáng)度和承載力都有很大的提高，從而節(jié)省鋼材，降低了工程造價(jià)[4]。近年來(lái)，各大高校相繼針對(duì)Q420高強(qiáng)角鋼的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]對(duì)不同型號(hào)的Q420等邊角鋼軸壓柱的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出其失穩(wěn)模式主要為彎扭失穩(wěn)，其試驗(yàn)平均值超過(guò)了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]的計(jì)算值。而將Q420高強(qiáng)角鋼作為主桿設(shè)計(jì)在空間三角形桁架中，考察高強(qiáng)角鋼在子結(jié)構(gòu)中的失穩(wěn)形式和承載力，目前在這方面國(guó)內(nèi)外研究成果較少。本文選用以截面尺寸為125 mm×8 mm的Q420高強(qiáng)等邊角鋼為主桿，Q235角鋼為支撐桿件形成輸電鐵塔的塔腿，進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究?？疾煸诜瞎こ踢吔鐥l件下Q420高強(qiáng)等邊角鋼在子結(jié)構(gòu)中的失穩(wěn)形式和極限承載力，并與同型號(hào)同等長(zhǎng)度的單根高強(qiáng)等邊角鋼對(duì)比，為輸電塔架塔腿設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)和建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為考察子結(jié)構(gòu)的受力性能、承載力，設(shè)計(jì)主桿長(zhǎng)度為1 700 mm、 2 075 mm的子結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造形式如圖1、表1所示，主桿選用L125×8規(guī)格的Q420高強(qiáng)角鋼，腹桿選用Q235各型號(hào)角鋼。試件編號(hào)中Z表示子結(jié)構(gòu)，L125×8表示角鋼規(guī)格，500和625為子結(jié)構(gòu)主桿節(jié)點(diǎn)距離,L為高強(qiáng)角鋼試驗(yàn)段長(zhǎng)度,B為肢寬,T為肢厚,A為截面面積。連接螺栓為直徑M16的鍍鋅粗制螺栓，螺栓等級(jí)6.8級(jí)，螺栓孔徑為18 mm。

試驗(yàn)角鋼實(shí)測(cè)尺寸見(jiàn)表2。材性試驗(yàn)測(cè)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，計(jì)算時(shí)取屈服強(qiáng)度f(wàn)y=460 MPa。表中的數(shù)值為三組實(shí)際所測(cè)數(shù)值的平均值。

表1 子結(jié)構(gòu)主桿尺寸

表2 試驗(yàn)角鋼實(shí)測(cè)尺寸

XOZ平面三角形桁架 YOZ平面三角形桁架 斜平面三角形桁架

1.2 試驗(yàn)裝置

子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2，豎向壓力通過(guò)長(zhǎng)柱試驗(yàn)機(jī)施加，數(shù)據(jù)經(jīng)TDS-303數(shù)據(jù)采集儀與擴(kuò)展箱采集。為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)軸心受壓的效果，應(yīng)將子結(jié)構(gòu)主桿質(zhì)心位置與試驗(yàn)機(jī)加載中心位置對(duì)應(yīng)(即對(duì)中)。對(duì)中過(guò)程分兩步：第一步是幾何對(duì)中，用紅外線垂準(zhǔn)儀進(jìn)行初步的光學(xué)對(duì)中，即將試驗(yàn)主桿軸線對(duì)準(zhǔn)作用力的中心線；第二步是物理對(duì)中，對(duì)子結(jié)構(gòu)施加60 kN，觀察加載過(guò)程中各個(gè)截面應(yīng)變片的應(yīng)變是否同步且均勻增加，并根據(jù)各個(gè)截面各個(gè)位置的應(yīng)變大小，微調(diào)角鋼的位置，如不滿足要求，則重復(fù)以上步驟，直到各個(gè)應(yīng)變的數(shù)值基本一致(各個(gè)應(yīng)變差值不超過(guò)5%)為止。

圖2 試驗(yàn)裝置

1.3 測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)試方案

在子結(jié)構(gòu)主桿每跨跨中截面布置10個(gè)應(yīng)變片，用于物理對(duì)中以及試件加載過(guò)程中破壞模式的監(jiān)測(cè)；在每跨跨中各布置2個(gè)位移計(jì)，監(jiān)測(cè)每跨跨中截面的變形。應(yīng)變片、位移計(jì)的布置見(jiàn)圖3。

1.4 加載制度

每次試驗(yàn)前，對(duì)試件預(yù)載60 kN，檢查儀表是否正常工作，并校核物理對(duì)中。然后分級(jí)施加荷載，當(dāng)施加荷載在名義荷載的80%以內(nèi)時(shí)，采用以25 kN/min的等速試驗(yàn)力控制；在施加荷載達(dá)到名義荷載的80%之后，采用以0.2 mm/min的等速位移控制。加載過(guò)程中每分鐘采集一組數(shù)據(jù)，當(dāng)加載到破壞荷載后，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)觀察子結(jié)構(gòu)的延性，直至荷載降至峰值荷載的80%以下試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 加載破壞過(guò)程

ZL125×8-625子結(jié)構(gòu)：加載初期，構(gòu)件無(wú)明顯變形。豎向荷載逐級(jí)加載增加至550 kN時(shí)，豎向位移為6.17 mm，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形，荷載由550 kN逐級(jí)增加到667 kN的過(guò)程中，子結(jié)構(gòu)不斷發(fā)出輕微響聲，AB跨位移計(jì)度數(shù)持續(xù)增加。當(dāng)荷載加至667 kN時(shí)，AB跨位移計(jì)陡然增大，試驗(yàn)構(gòu)件出現(xiàn)明顯的彎扭變形，子結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載力，此時(shí)豎向位移為8.2 mm，高強(qiáng)角鋼中BC跨、CD跨以及子結(jié)構(gòu)中的支撐桿件均無(wú)明顯變形。荷載-豎向位移曲線見(jiàn)圖4，破壞變形見(jiàn)圖6。

ZL125×8-500子結(jié)構(gòu)：加載初期，構(gòu)件無(wú)明顯變形。豎向荷載逐級(jí)加載增加至627 kN時(shí)，豎向位移為6.5 mm，結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形，荷載由627 kN逐級(jí)增加到746 kN的過(guò)程中，子結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)出輕微響聲，AB跨位移計(jì)度數(shù)持續(xù)增加。當(dāng)荷載加至746 kN時(shí)，AB跨位移計(jì)陡然增大，試驗(yàn)構(gòu)件出現(xiàn)明顯的彎扭變形，子結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載力，此時(shí)豎向位移為8.5 mm，高強(qiáng)角鋼中BC跨、CD跨以及子結(jié)構(gòu)中的支撐桿件均無(wú)明顯變形。荷載-豎向位移曲線見(jiàn)圖5，破壞變形見(jiàn)圖7。

圖4 ZL125×8-625荷載-豎向位移曲線

圖5 ZL125×8-500荷載-豎向位移曲線

圖6 ZL125×8-625破壞圖

圖7 ZL125×8-500破壞圖

2.2 破壞特征分析

ZL125×8-625子結(jié)構(gòu)：在子結(jié)構(gòu)主桿中，由于腹桿的約束作用，BC跨和CD跨均無(wú)明顯變形，AB跨跨中(截面1-1)的荷載-應(yīng)變曲線如圖8所示，其中截面測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

當(dāng)荷載加載至592 kN時(shí)，截面1-1肢尖處連接的位移計(jì)讀數(shù)開(kāi)始發(fā)生變化，隨著荷載增加，撓度不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載667 kN時(shí)，位移計(jì)的讀數(shù)增大更快，AB跨發(fā)生扭轉(zhuǎn)，局部屈曲明顯。截面1-1荷載-側(cè)向位移如圖10所示。加載初期，全截面均受壓，當(dāng)試驗(yàn)角鋼達(dá)到極限荷載時(shí)，曲線達(dá)到峰值并開(kāi)始迅速分岔，肢背處壓應(yīng)變持續(xù)增大，一肢尖處壓應(yīng)變持續(xù)增加，另一肢尖的應(yīng)變轉(zhuǎn)為受拉，原因是角鋼壓桿繞非平行軸整體失穩(wěn)表現(xiàn)為彎扭變形，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。

ZL125×8-500子結(jié)構(gòu)：在子結(jié)構(gòu)主桿中，由于腹桿的約束作用，BC跨和CD跨均無(wú)明顯變形，故將AB跨跨中(截面1-1)的荷載-應(yīng)變曲線列圖9所示，其中截面測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖3。

當(dāng)荷載加載至682 kN時(shí)，截面1-1肢尖處連接的位移計(jì)讀數(shù)開(kāi)始發(fā)生變化，隨著荷載增加，撓度不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載746 kN時(shí)，位移計(jì)的讀數(shù)增大更快，AB跨發(fā)生扭轉(zhuǎn)，局部屈曲明顯。截面1-1荷載-側(cè)向位移如圖11所示。對(duì)荷載-應(yīng)變的分析同ZL125×8-625。

圖8 ZL125×8-625截面1-1荷載-應(yīng)變曲線

圖9 ZL125×8-500截面1-1荷載-應(yīng)變曲線

圖10 ZL125×8-625截面1-1荷載-位移曲線

圖11 ZL125×8-500截面1-1荷載-位移曲線

3 結(jié)果分析

3.1 承載力

圖4、圖6表明：當(dāng)子結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載后，承載力會(huì)迅速下降，當(dāng)下降到80%后，荷載變化緩慢。說(shuō)明子結(jié)構(gòu)破壞后仍然具有一定的承載力。

3.2 變形

在加載前期，由于不完全接觸等因數(shù)的影響，豎向變形呈現(xiàn)出非線性，當(dāng)荷載逐級(jí)增大時(shí)，豎向變形為線性變化；當(dāng)子結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載后，底端截面的側(cè)向變形會(huì)迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致局部屈曲，而中間跨和上跨截面的變形均無(wú)明顯變化，表明支撐桿件對(duì)主桿起到了約束作用。

3.3 子結(jié)構(gòu)極限承載力與單根高強(qiáng)等邊角鋼極限承載力的比較

為增加對(duì)比性，在同樣的端部約束邊界條件下，進(jìn)行單根角鋼承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比表明，單根高強(qiáng)等邊角鋼試驗(yàn)比子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)出現(xiàn)彎曲的時(shí)機(jī)要早，變形要大。并將單根高強(qiáng)等邊角鋼的極限承載力與子結(jié)構(gòu)的極限荷載對(duì)比，如表3所示。由表3分析可得，子結(jié)構(gòu)的極限荷載相對(duì)單根角鋼極限荷載有很大提高。

表3 單根角鋼與子結(jié)構(gòu)承載力對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 子結(jié)構(gòu)中高強(qiáng)角鋼的失穩(wěn)形式為彎扭失穩(wěn)，破壞位置在子結(jié)構(gòu)的下端；

2) 與同等長(zhǎng)度的單根角鋼對(duì)比，子結(jié)構(gòu)的承載力要提高20%以上，支撐桿件起到了減小主桿長(zhǎng)細(xì)比、增加主桿側(cè)向剛度的作用，從而提高了子結(jié)構(gòu)的承載力；

3) 當(dāng)子結(jié)構(gòu)達(dá)到最大承載力時(shí)，變形陡然增加，承載力快速下降，當(dāng)荷載降到極限荷載的80%后，荷載變化緩慢，變形趨于穩(wěn)定，說(shuō)明子結(jié)構(gòu)延性較好；

4) 對(duì)于其它規(guī)格子結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)角鋼以及端部的邊界條件對(duì)子結(jié)構(gòu)極限承載力的影響有待進(jìn)一步研究。

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