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

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032； 2.江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011；3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

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]計算方法偏保守，提出改良ASCE后的設(shè)計方法。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)計方法。

鑒于Q460角鋼廣闊的運(yùn)用前景，相關(guān)規(guī)范有待完善，筆者對軸壓構(gòu)件承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

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;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度；fu為鋼材的抗拉強(qiáng)度；δ為鋼材伸長率；E為鋼材彈性模量；fu/fy為鋼材強(qiáng)屈比；εy為屈曲應(yīng)變；εst為初始強(qiáng)化應(yīng)變；εu為極限應(yīng)變。

圖1 材性試件取樣位置Fig.1 Location of specimens for tensile coupon

規(guī)格E/ 105MPafy/MPafu/MPaδ/%fu/fyQ460L125081.9953071522.01.35Q460L125102.2052568521.01.30Q460L160102.0251568025.01.32Q460L160122.0653068520.01.29Q345B鋼板2.0244058027.01.32

圖2 試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of

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=l0+t0，l0為角鋼縱向長度，t0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，試件計算長度需考慮支座高度，其構(gòu)造如圖3所示。

圖3 試件構(gòu)造圖Fig.3 Diagrammatic sketch of

試件編號l/mmB/mmt/mmA/mm2PE/kN試件編號l/mmB/mmt/mmA/mm2PE/kNL12508-30-1753.3125.08.22024.8845L12508-60-11503.7125.28.12004.7610L12508-30-2753.7125.08.12 001.5850L12508-60-21 503.7125.08.12 001.5725L12508-30-3754.0125.08.22 024.8825L12508-60-31 505.0125.08.12 001.5620L12510-30-1748.3125.09.92 419.11 175L12510-60-11 492.7125.010.02 440.0670L12510-30-2748.3125.210.02 446.11 190L12510-60-21 490.7125.210.02 446.1705L12510-30-3747.0125.09.92 419.11 165L12510-60-31 493.7125.410.02 450.1715L16010-30-1962.7159.010.03 122.11 260L16010-60-11 926.3158.810.03 118.11 120L16010-30-2964.3158.49.93 080.41 230L16010-60-21 921.7159.210.03 138.91 145L16010-30-3963.3159.410.03 130.11 260L16010-60-31 922.0158.410.03 122.91 075L16012-30-1956.0159.011.93 697.51 875L16012-60-11 915.3158.611.93 688.01 315L16012-30-2956.7159.211.83 672.81 920L16012-60-21 913.0159.211.93 702.31 350L16012-30-3958.0158.811.93 692.81 860L16012-60-31 913.7158.811.93 692.81 460L12508-45-11 127.7125.08.12 001.5785L12508-80-12 003.3125.28.01 981.3360L12508-45-21 127.0125.08.12 001.5760L12508-80-22 004.0125.08.01 970.0410L12508-45-31 128.0125.28.12 004.7815L12508-80-32 002.7125.08.12 001.5530L12510-45-11 119.0125.29.92 423.01 145L12510-80-11 988.3125.09.92 419.1500L12510-45-21 120.0125.09.92 419.11 200L12510-80-21 987.3125.09.92 419.1540L12510-45-31 121.3125.09.92 419.11 145L12510-80-31 987.0125.010.02 440.0505L16010-45-11 442.7159.210.03 126.11 240L16010-80-12 563.3158.410.03 122.9805L16010-45-21 445.7158.610.03 114.11 205L16010-80-22 563.0158.610.03 126.9810L16010-45-31 442.0158.810.03 118.11 220L16010-80-32 563.3158.410.03 122.9740L16012-45-11 432.3159.012.03 726.91 830L16012-80-12 549.3158.412.13 741.8940L16012-45-21 437.0158.811.93 692.81 830L16012-80-22 547.3159.212.13 761.2895L16012-45-31 436.3159.211.93 702.31 450L16012-80-32 548.0158.811.93 692.8910

注：PE為極限荷載；“ ”單劃線表示試件兩端為單刀口支座；“ ”雙劃線表示試件兩端為雙刀口；其余為球鉸支座。

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。

圖4 試驗(yàn)裝置

1.4 測試方案及加載制度

為測量各截面橫向位移、研究試件變形特征和分析截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在角鋼截面布置位移計和應(yīng)變片，位置如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)位置示意圖Fig.5 The diagrammatic sketch of measuring point

試驗(yàn)參考承載力根據(jù)美國輸電鐵塔設(shè)計導(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，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。

圖6 試件L12510-30-1試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Testing results of specimen

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。

圖7 試件L12510-80-1試驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 Testing results of specimen

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。

圖8 承載力試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Test results of bearing

2.2.1 試驗(yàn)值與規(guī)范計算值比較 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，計算長度系數(shù)為0.5，建議值為0.65[18]。PA1和PA2為ASCE按照上述兩種取值的荷載計算值，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%?？梢姡珿B 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)計規(guī)范并未規(guī)定寬厚比超限構(gòu)件相關(guān)承載力計算方法。相比其他兩種規(guī)范，美國ASCE導(dǎo)則理論計算值與試驗(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)范中用于計算低強(qiáng)度角鋼構(gòu)件的設(shè)計理論。

表3 試驗(yàn)值與理論值比較Table 3 Comparison of test results and theoretical calculation results

注：PE為極限荷載；PG為按GB 50017—2003規(guī)范計算的理論值，采用b類截面軸壓柱子曲線；PA2為按ASCE-1997導(dǎo)則對球鉸支座取0.65計算長度系數(shù)計算的理論值；PD為按DL/T 5154—2002規(guī)范計算的理論荷載，穩(wěn)定系數(shù)由b類柱子曲線得出。

2.2.2 GB 50017—2003與ASCE 10-1997計算值比較 美國ASCE導(dǎo)則計算值明顯高于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，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的計算結(jié)果相差不大，根據(jù)DT/T 5154—2002規(guī)范設(shè)計高強(qiáng)鋼桿件較保守，其計算值偏小。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計算長度系數(shù)的承載力計算差值在-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。