Q500qE高强钢压杆稳定试验研究

鞠晓臣 赵欣欣 刘晓光

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

为了适应大跨度钢桥建设需要，500 MPa级别的高强钢已经在一些超大跨度钢桥中使用。随着跨度的增加，桥梁横截面增大，杆件长度增加。由于钢材强度提高后截面面积减小，压杆稳定成为桥梁杆件设计的一个重要控制指标。目前，针对建筑用钢压杆稳定的规范已经相对健全，但是桥梁用钢压杆稳定规范发展相对滞后。TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》［1］采用容许应力法对屈服强度不高于420 MPa钢压杆稳定系数取值作了规定。

学者们通过对不同细长比的杆件进行试验，观察失稳破坏状态和极限承载力，再将试验结果与现行国内外规范计算值进行对比分析，研究压杆的稳定性。文献［2］对Q420高强度等边角钢轴压杆的整体稳定性进行轴压静力试验，研究其失稳破坏形态和极限承载力，并分析板件宽厚比超限对试验结果的影响。文献［3］对大角钢构件进行轴压试验，发现大角钢轴压杆的失稳形态主要为弯曲失稳，对于长细比小于40的大角钢轴压杆无需验算弯扭屈曲承载力，仅按照弱轴弯曲屈曲计算承载力便能保障设计安全。文献［4］基于TB 10091—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》中相关规定，在设计受压杆件时依据容许应力法，考虑杆件长细比、钢材级别、截面类型、残余应力等因素对Q500qE高强钢的稳定性进行了系统的数值研究，并与各国规范进行对比。文献［5］对变截面带肋箱形压杆的极限承载力进行研究，通过极限承载力试验以及理论计算发现，对于长细比小于50的箱形变截面杆件，在验算稳定性时采用小截面端的截面属性，在变截面位置设置横隔板或加劲肋可提高板件的局部稳定。文献［6］针对GB 50017—2003《钢结构设计规范》［7］中短肢连接的不等边角钢计算公式不够精确的问题，通过拟合得到了具有更高精度的单面连接单角钢压杆整体稳定承载力计算公式。文献［8］发现在实际工程中，跨中有支撑的等边单角钢压杆会出现过早破坏的情况，通过试验得到此类构件的破坏模式以及极限承载力。文献［9］对单边连接等边角钢进行受压试验发现，试件达到受压极限承载力时，中点截面变形主要以绕平行于角钢连接边轴线弯曲变形为主，且中点截面扭转变形很小，GB 50017—2003中对此类连接角钢构件的计算方法偏于保守。

本文以Q500qE高强钢为对象开展压杆稳定试验，试验设计考虑杆件长细比、截面形式、焊接残余应力等因素，长细比采用了40、60和80，截面采用工字形和箱形两种典型截面，采用退火消除残余应力，通过综合对比不同规范中钢结构压杆稳定设计标准，结合试验结果提出Q500qE高强钢压杆的稳定折减系数。

1 试验研究

1.1 材性试验

在压杆稳定试验之前进行Q500qE高强钢材性试验，制作了6根试件（编号LS-1—LS-6）。对屈服强度、抗拉强度、屈服比、延伸率等试验数据进行统计（表1），得到6根试件屈服强度平均值为514.5 MPa，略高于500 MPa。

表1 Q500qE高强钢材性试验结果

1.2 试验概况

根据大桥Q500qE高强钢压杆的主要截面类型（图1）和长细比，选取五组试件，每组3个试件。其中，工字形截面的试件有四组，长细比分别为40、60、80，各成一组，编号G40-1—G40-3，G60-1—G60-3，G80-1—G80-3；对长细比为60的试件进行2 h回火处理（580～600℃）以消除残余应力，单设一组，编号GH60-1—GH60-3。箱形截面的试件为一组，长细比为60，编号X60-1—X60-3。

图1 两种截面形式（单位：mm）

压杆稳定加载装置及试验现场见图2。压杆下端为单向转动铰接，上端为全转动球铰连接。应变片布置在试件两端及中间，应变片距离翼缘边缘10 mm，采用位移计记录压杆侧向位移。试验采用MTS2000 t试验加载机，逐级加载，加载级数根据不同长细比进行调整。

图2 压杆稳定加载装置及试验现场（单位：mm）

2 试验结果分析

工字形截面压杆试验荷载-面外位移曲线见图3。可知：①在荷载开始施加阶段，由于加载端头与压杆并没有完全接触，以及压杆没有被完全固定等不确定性因素的存在，荷载-面外位移曲线呈现不规律性。随着荷载的增加以及加载装置的稳定，荷载-面外位移曲线呈线性增长，当增长到一定程度后，曲线呈非线性快速增长。②将荷载-位移几何非线性起始点对应的荷载作为压杆稳定极限承载力，这个值与数值分析计算值［4］较为接近，如工字形截面压杆长细比为80时，计算值和试验值约为4 000 kN，压杆长细比为40时，计算值和试验值约为2 500 kN。

图3 工字形截面压杆试验荷载-面外位移曲线

全部压杆稳定试验结果见表2。可知，试验结果规律性较好，与TB 10091—2005规范值和数值分析计算值［4］一致。随着长细比增加，稳定折减系数降低；回火后，残余应力减小，稳定折减系数增大；箱形截面稳定系数比工字形截面大。另外，极限承载力试验值比数值分析计算值［4］大。分析原因可能是残余应力、初始缺陷等因素具有不确定性，以及加工和试验工装产生的误差略大，导致试验值比计算值略小。

表2 全部压杆稳定试验结果

3 试验结果与规范值对比

本文试验压杆截面类型属于b类。将稳定折减系数试验值与GB 50017—2003中四类截面压杆稳定折减系数对比，见图4。可知，当长细比较小时，稳定折减系数试验值在四类截面稳定折减系数曲线包络范围内，当长细比较大时，试验值明显高于规范值。

图4 稳定折减系数试验值与规范值对比

将试验值与TB 10091—2005规范值和数值分析计算值［4］进行对比，见图5。可知，压杆稳定折减系数试验值略高于规范值。长细比较高时，稳定折减系数数值分析计算值与试验值相差较大。

图5 稳定折减系数试验值与规范值和文献［4］计算值对比

长细比为40和80时不同规范Q500桥梁用钢压杆稳定系数计算值及本文推荐值见表3。可知，推荐值比其他规范计算值偏保守。原因是四种钢结构设计规范有别于钢桥专用设计规范，桥梁用钢有其自身的特点。例如：施工控制难度大，结构庞大，易导致明显的初始缺陷，作用荷载大、使用环境相对恶劣等因素都会直接或间接影响对压杆稳定性的要求。

表3 不同规范Q500桥梁用钢压杆稳定折减系数计算值及推荐值

综合考虑试验和数值分析［4］的结果，以及规范中低级别钢材采用的压杆稳定折减系数计算方法，给出Q500q高强钢压杆稳定折减系数推荐值，见表4。

表4 Q500q高强压杆稳定折减系数推荐值

4 结论

1）随着长细比增加，压杆稳定折减系数减小；回火试验降低了残余应力，得到的稳定折减系数比无回火试件高，说明残余应力对压杆稳定有明显影响。相同长细比下箱形截面的压杆稳定折减系数大于工字形截面压杆。

2）将Q500桥梁用钢压杆稳定折减系数试验值与各国规范计算值进行对比，本文试验值规律性较好，并依据TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》，给出Q500qE高强钢压杆稳定折减系数推荐值。