基于子结构试验的高强角钢受力性能研究

宁致远，梅莎，党康宁，陶磊，刘云贺

(1.西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048；2.三亚市住房和城乡建设局，海南 三亚 572000)

随着我国电力事业高速发展，高强角钢在一些高压、特高压输电线路和大截面导线输电线路的输电塔等结构中逐渐被采用[1-3]。2005年我国第一条750 kV超高压示范输电线路(青海官厅—兰州东)投入运营，工程首次采用了Q420高强角钢，工程研究表明：与Q345钢材相比，采用Q420高强钢，其强度和承载力都有很大的提高，从而节省钢材，降低了工程造价[4]。近年来，各大高校相继针对Q420高强角钢的整体稳定性进行了研究。文献[5]对不同型号的Q420等边角钢轴压柱的整体稳定性进行了试验研究，提出其失稳模式主要为弯扭失稳，其试验平均值超过了《钢结构设计规范》[6]的计算值。而将Q420高强角钢作为主杆设计在空间三角形桁架中，考察高强角钢在子结构中的失稳形式和承载力，目前在这方面国内外研究成果较少。本文选用以截面尺寸为125 mm×8 mm的Q420高强等边角钢为主杆，Q235角钢为支撑杆件形成输电铁塔的塔腿，进行轴压试验研究。考察在符合工程边界条件下Q420高强等边角钢在子结构中的失稳形式和极限承载力，并与同型号同等长度的单根高强等边角钢对比，为输电塔架塔腿设计提供试验依据和建议。

1 试验概况

1.1 子结构设计

为考察子结构的受力性能、承载力，设计主杆长度为1 700 mm、 2 075 mm的子结构，其构造形式如图1、表1所示，主杆选用L125×8规格的Q420高强角钢，腹杆选用Q235各型号角钢。试件编号中Z表示子结构，L125×8表示角钢规格，500和625为子结构主杆节点距离,L为高强角钢试验段长度,B为肢宽,T为肢厚,A为截面面积。连接螺栓为直径M16的镀锌粗制螺栓，螺栓等级6.8级，螺栓孔径为18 mm。

试验角钢实测尺寸见表2。材性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，计算时取屈服强度fy=460 MPa。表中的数值为三组实际所测数值的平均值。

表1 子结构主杆尺寸

表2 试验角钢实测尺寸

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 试验装置

子结构试验装置见图2，竖向压力通过长柱试验机施加，数据经TDS-303数据采集仪与扩展箱采集。为实现结构轴心受压的效果，应将子结构主杆质心位置与试验机加载中心位置对应(即对中)。对中过程分两步：第一步是几何对中，用红外线垂准仪进行初步的光学对中，即将试验主杆轴线对准作用力的中心线；第二步是物理对中，对子结构施加60 kN，观察加载过程中各个截面应变片的应变是否同步且均匀增加，并根据各个截面各个位置的应变大小，微调角钢的位置，如不满足要求，则重复以上步骤，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。

图2 试验装置

1.3 测点分布及测试方案

在子结构主杆每跨跨中截面布置10个应变片，用于物理对中以及试件加载过程中破坏模式的监测；在每跨跨中各布置2个位移计，监测每跨跨中截面的变形。应变片、位移计的布置见图3。

1.4 加载制度

每次试验前，对试件预载60 kN，检查仪表是否正常工作，并校核物理对中。然后分级施加荷载，当施加荷载在名义荷载的80%以内时，采用以25 kN/min的等速试验力控制；在施加荷载达到名义荷载的80%之后，采用以0.2 mm/min的等速位移控制。加载过程中每分钟采集一组数据，当加载到破坏荷载后，继续采集数据观察子结构的延性，直至荷载降至峰值荷载的80%以下试验结束。

图3 测点布置图

2 试验结果

2.1 加载破坏过程

ZL125×8-625子结构：加载初期，构件无明显变形。竖向荷载逐级加载增加至550 kN时，竖向位移为6.17 mm，结构无明显变形，荷载由550 kN逐级增加到667 kN的过程中，子结构不断发出轻微响声，AB跨位移计度数持续增加。当荷载加至667 kN时，AB跨位移计陡然增大，试验构件出现明显的弯扭变形，子结构达到最大承载力，此时竖向位移为8.2 mm，高强角钢中BC跨、CD跨以及子结构中的支撑杆件均无明显变形。荷载-竖向位移曲线见图4，破坏变形见图6。

ZL125×8-500子结构：加载初期，构件无明显变形。竖向荷载逐级加载增加至627 kN时，竖向位移为6.5 mm，结构无明显变形，荷载由627 kN逐级增加到746 kN的过程中，子结构不断的发出轻微响声，AB跨位移计度数持续增加。当荷载加至746 kN时，AB跨位移计陡然增大，试验构件出现明显的弯扭变形，子结构达到最大承载力，此时竖向位移为8.5 mm，高强角钢中BC跨、CD跨以及子结构中的支撑杆件均无明显变形。荷载-竖向位移曲线见图5，破坏变形见图7。

图4 ZL125×8-625荷载-竖向位移曲线

图5 ZL125×8-500荷载-竖向位移曲线

图6 ZL125×8-625破坏图

图7 ZL125×8-500破坏图

2.2 破坏特征分析

ZL125×8-625子结构：在子结构主杆中，由于腹杆的约束作用，BC跨和CD跨均无明显变形，AB跨跨中(截面1-1)的荷载-应变曲线如图8所示，其中截面测点位置见图3。

当荷载加载至592 kN时，截面1-1肢尖处连接的位移计读数开始发生变化，随着荷载增加，挠度不断增大，当荷载达到极限荷载667 kN时，位移计的读数增大更快，AB跨发生扭转，局部屈曲明显。截面1-1荷载-侧向位移如图10所示。加载初期，全截面均受压，当试验角钢达到极限荷载时，曲线达到峰值并开始迅速分岔，肢背处压应变持续增大，一肢尖处压应变持续增加，另一肢尖的应变转为受拉，原因是角钢压杆绕非平行轴整体失稳表现为弯扭变形，与试验现象吻合。

ZL125×8-500子结构：在子结构主杆中，由于腹杆的约束作用，BC跨和CD跨均无明显变形，故将AB跨跨中(截面1-1)的荷载-应变曲线列图9所示，其中截面测点位置见图3。

当荷载加载至682 kN时，截面1-1肢尖处连接的位移计读数开始发生变化，随着荷载增加，挠度不断增大，当荷载达到极限荷载746 kN时，位移计的读数增大更快，AB跨发生扭转，局部屈曲明显。截面1-1荷载-侧向位移如图11所示。对荷载-应变的分析同ZL125×8-625。

图8 ZL125×8-625截面1-1荷载-应变曲线

图9 ZL125×8-500截面1-1荷载-应变曲线

图10 ZL125×8-625截面1-1荷载-位移曲线

图11 ZL125×8-500截面1-1荷载-位移曲线

3 结果分析

3.1 承载力

图4、图6表明：当子结构达到极限荷载后，承载力会迅速下降，当下降到80%后，荷载变化缓慢。说明子结构破坏后仍然具有一定的承载力。

3.2 变形

在加载前期，由于不完全接触等因数的影响，竖向变形呈现出非线性，当荷载逐级增大时，竖向变形为线性变化；当子结构达到极限荷载后，底端截面的侧向变形会迅速扩大，导致局部屈曲，而中间跨和上跨截面的变形均无明显变化，表明支撑杆件对主杆起到了约束作用。

3.3 子结构极限承载力与单根高强等边角钢极限承载力的比较

为增加对比性，在同样的端部约束边界条件下，进行单根角钢承载力试验，试验现象对比表明，单根高强等边角钢试验比子结构试验出现弯曲的时机要早，变形要大。并将单根高强等边角钢的极限承载力与子结构的极限荷载对比，如表3所示。由表3分析可得，子结构的极限荷载相对单根角钢极限荷载有很大提高。

表3 单根角钢与子结构承载力对比

4 结 论

1) 子结构中高强角钢的失稳形式为弯扭失稳，破坏位置在子结构的下端；

2) 与同等长度的单根角钢对比，子结构的承载力要提高20%以上，支撑杆件起到了减小主杆长细比、增加主杆侧向刚度的作用，从而提高了子结构的承载力；

3) 当子结构达到最大承载力时，变形陡然增加，承载力快速下降，当荷载降到极限荷载的80%后，荷载变化缓慢，变形趋于稳定，说明子结构延性较好；

4) 对于其它规格子结构的高强角钢以及端部的边界条件对子结构极限承载力的影响有待进一步研究。

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