Q420等边角钢轴压杆整体稳定性能试验研究.pdf
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1、建筑结构学报 ?Journal of Bu ilding Structures 第 32卷 第 2期2011年 2月 V ol?32N o?2Feb?2011 009 文章编号: 1000?6869(2011) 02?0060?09 Q420等边角钢轴压杆整体稳定性能试验研究 班慧勇 1, 施 ? 刚1, 刘 ? 钊2, 石永久1, 王元清1, 邢海军3, 李茂华3 ( 1 . 清华大学 土木工程系, 北京 100084 ;2 . 北京交通大学 土木工程学院, 北京 100044; 3. 中国电力科学研究院, 北京 100055) 摘要: 国内大型输电铁塔中已逐步采用 Q420高强度角钢。为研
2、究此类高强度等边角钢轴压杆的整体稳定性能,进行了轴 压静力试验研究,试验包括 60个试件,截面类型选取了在所有热轧角钢截面中板件宽厚比最大的 5种。基于试验结果, 研 究了 Q420高强度等边角钢轴心受压柱的失稳破坏形态和极限承载力, 通过计算得到其稳定系数, 并与现行钢结构设计规 范的柱曲线进行了对比,同时分析了板件宽厚比超限对 Q420高强度等边角钢轴压柱失稳破坏形态和稳定承载力的影响。 结果表明:该类构件以弯扭失稳为主,根据试验实测得到的稳定系数明显高于现行钢结构设计规范所规定的等边角钢所在 的 b类截面柱曲线,甚至高于 a类截面柱曲线。研究为后续的有限元计算和数值参数分析提供了重要的基
3、础数据, 为设计 方法提供了参考建议。 关键词: 钢结构; 高强度角钢; 轴压; 静力试验; 稳定; 柱曲线 中图分类号: TU391? TU317?1? ? 文献标志码: A Experm i ental study on overall buckling behavior ofQ420 high strength equal angleme mbers under axial compression BAN Huiyong 1, S H IGang 1, LIU Zhao2, SH IYongjiu1, WANG Yuanqing1, X ING Haijun3, LIM aohua3 (
4、 1. Depart ment ofCivilEngineering , Tsinghua University, Beijing 100084, China ; 2. SchoolofCivilEngineering , Beijing JiaotongUniversity , Beijing 100044 , China ; 3. China Electric PowerResearch Institute , Beijing 100055 , China) Abstract : The Q420 high strength angles with the nom inal yield s
5、trength of 420MPa are being applied in large transm ission towers in Ch ina .In this paper ,the axial compression column testwas conducted to investigate the overall buck ling behavior ofQ420 high strength equal angles under axial compression,includ ing 60 specm i ens ,and 5 types of sectionswhose p
6、latewidth?thickness ratios were the largest ones in all of the hot?rolled equal angle sections . Based on the test results ,the buckling modes and the ultm i ate strength of theQ420 high strength equal angle columns under axial co mpression were analyzed ,and the buckling strength of the specm i ens
7、 were calculated, wh ich were compared w ith the column curves in the Ch inese code .Besides ,the effect of the plate width?thickness ratio overrun on the buck lingmodes and the ultm i ate capacity of the angle columns were also studied.It shows that the buckling mode is mainly flexural?torsional bu
8、ckling ,and the buckling strengths from test results aremuch h igher than those calculated according to the Chinese code .These researches provide m i portant test data for the further numerical study and suggestions for buckling design method of h igh strength angles . K eywords : steel structure ;
9、 h igh strength angle ;axial compression;static test ;buckling ;column curve 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 50708051), ? 十一五 国家科技支撑计划重点项目 ( 2006BAJ03A02?1)。 作者简介: 班慧勇 ( 1985! ?), 男, 内蒙古呼和浩特人, 博士研究生。E? mai:l bhy03 mails ? tsinghua?edu?cn 通讯作者: 施刚 ( 1977! ?), 男, 安徽铜陵人, 工学博士, 副教授。E?mai:l shigang tsinghua?edu?cn 收稿
10、日期: 2009年 11月 60 0? 引言 名义屈服强度大于 420MPa的高强度钢材不仅 在国内外的建筑和桥梁结构中得到应用 1? 3, 而且在 一些高压、 特高压输电线路和大截面导线输电线路 的输电铁塔等结构中也逐渐采用 4。高强度钢材在 构件受力、 建筑空间、 结构安全性和耐久性以及可持 续发展等方面具有显著优势 5, 因此, 随着钢结构生 产安装技术和设计水平的不断提高, 高强度钢材将 有更广阔的应用前景。 目前国外学者对高强钢轴压柱试验研究相对较 少, 文献 6?9对 690MPa高强钢焊接截面柱进行了 受压试验分析, 结果表明: 与普通强度钢材柱相比, 其整体稳定系数明显提高,
11、这是因为包括残余应力 在内的初始缺陷影响减小; 文献 10通过有限元计 算得到了相同的结论。而对于高强度角钢, 特别是 Q420角钢轴压柱的整体稳定性试验研究, 目前国内 外尚未见到相关研究成果。 Q420高强等边角钢有部分种类的截面板件宽厚 比超过 GB 50017! 2003钢结构设计规范 #(以下简 称 规范 #)所规定的限值, 这是因为该限值的计算公 式与钢材的屈服强度有关 11, 当钢材强度 f y提高后, 宽厚比限值降低, 原本满足要求的截面, 其板件宽厚 比可能会超出限值。 本文针对 Q420高强等边角钢 (名义屈服强度 420MPa)进行了轴压试验研究, 以期对该类钢材轴压 杆
12、的失稳模态和稳定承载力有更准确的认识, 并为 相关设计方法提供试验依据和建议。 1? 试验概况 1?1? 试件设计 试验研究对象为两端铰支 Q420高强等边角钢 轴心受压柱的稳定性能。试件包含 5种截面共计 60 个试件。在选取截面类型时, 为同时研究角钢板件 宽厚比对轴心受压柱稳定性能的影响, 选取宽厚比 较大的 5 种截 面, 分 别为 125 8、 140 10、 160 10 、 180 12和200 14; 试件长度的确定 是根据受压柱绕弱轴 (图 1中非对称轴 x轴 )的长细 比确定, 各试件长细比依次为 30、40、 50、60和 80。 每种型号 (即具有相同截面尺寸和长细比
13、)均有 3个 相同试件进行轴压试验。 试件编号、 试件的名义尺寸与试验实测结果见 表 1。表 1中 L 为试件纵向长度, 取两肢长度测量结 果的平均值; w为试件截面宽度 (图 1), 取试件两端 附近横截面上共 4肢的宽度测量值的平均值; t为试 图 1? 等边角钢截面 Fig . 1? Section of equal angles 件板件厚度 (图 1), 取试件两端附近横截面上共 4肢 的厚度测量值的平均值。 试件两端均按 GB 50205! 2001钢结构工程施 工质量验收规范 # 12所允许的尺寸偏差要求进行加 工铣平, 以保证加载时与柱两端端板顶紧。 1?2? 材性试验 材性试件
14、的取样位置根据 GB /T 2975! 1998钢 及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备 # 13中 的相关规定确定, 如图 2所示, 距离肢边三分之一肢 宽, 且方向沿角钢纵向。试件的具体尺寸根据 GB/T 228! 2002金属材料 室温拉伸试验方法 # 14中对比 例试件尺寸的规定确定。 图 2? 材性试件取样位置 Fig . 2? Location of speci mens for tensile coupon test 每种截面对应的材料均取 3个材性试件进行拉 伸试验, 文献 15中给出了 5种截面共计 15个试件 的屈服强度实测值, 本文取同种截面试件试验结果 的平均值作为该
15、种截面强度值, 结果见表 2 。表中 fy 为材料的屈服强度, fu为材料的极限强度。 15个材 性试件的应力 ? 应变曲线如图 3所示。 图 3? 材性试验应力? 应变曲线 Fig. 3?Stress?strain curves for tensile coupon test 61 表 1? 试件名义尺寸和实测尺寸 Tabl e 1?Nom inaland measured dmi ensions of specmi ens 试件编号 名义尺寸实测尺寸 L /mmw /mmt /mmL /mmw /mmt /mm 试件编号 名义尺寸实测尺寸 L /mmw /mmt /mmL /mmw /mm
16、t /mm L125?30?1750 L125?30?2750 L125?30?3750 L125?40?11000 L125?40?21000 L125?40?31000 L125?50?11250 L125?50?21250 L125?50?31250 L125?60?11500 L125?60?21500 L125?60?31500 L125?80?12000 L125?80?22000 L125?80?32000 L140?30?1834 L140?30?2834 L140?30?3834 L140?50?11390 L140?50?21390 L140?50?31390 L140?8
17、0?12224 L140?80?22224 L140?80?32224 L160?30?1960 L160?30?2960 L160?30?3960 L160?40?11280 L160?40?21280 L160?40?31280 1258 14010 16010 750?3125?17?995 749?2125?07?870 749?3125?07?915 998?6124?57?790 1000?2124?47?840 999?6124?47?785 1249?2124?87?870 1250?7124?57?910 1250?8125?27?835 1499?4125?07?915 1
18、500?6125?67?820 1500?4125?27?845 1998?4125?17?835 2000?7125?17?810 2000?6125?07?770 834?2140?110?100 833?9139?210?030 833?7139?69?955 1389?9139?410?070 1389?4139?710?215 1390?5139?410?175 2223?4140?110?110 2223?5139?79?885 2223?9139?79?860 959?5159?69?835 957?8159?89?935 956?8160?29?785 1275?3160?29
19、?835 1278?6159?59?830 1274?2159?810?075 L160?50?11600 L160?50?21600 L160?50?31600 L160?60?11920 L160?60?21920 L160?60?31920 L160?80?12560 L160?80?22560 L160?80?32560 L180?30?11074 L180?30?21074 L180?30?31074 L180?40?11432 L180?40?21432 L180?40?31432 L180?50?11790 L180?50?21790 L180?50?31790 L180?60?
20、12148 L180?60?22148 L180?60?32148 L180?80?12864 L180?80?22864 L180?80?32864 L200?30?11194 L200?30?21194 L200?30?31194 L200?50?11990 L200?50?21990 L200?50?31990 16010 18012 20014 1611?7160?010?030 1593?2159?810?045 1600?4160?69?975 1920?9160?410?035 1920?3160?19?930 1920?9160?09?855 2559?9159?610?035
21、 2558?9159?89?790 2561?1159?69?895 1075?1180?111?780 1073?7180?211?930 1071?3180?411?875 1432?3180?111?810 1432?7180?311?680 1432?1180?411?655 1790?1180?311?855 1791?7179?711?720 1789?3179?811?760 2142?8180?111?890 2146?8180?211?910 2148?0180?011?855 2863?8180?111?860 2862?6180?311?670 2865?6179?411
22、?775 1194?7200?413?660 1194?9200?713?790 1189?8200?613?590 1989?7200?913?615 1990?5200?813?560 1990?3200?713?500 注: 试件编号中? L 为截面代号, ? L 后数字代表试件截面名义宽度, 中间数字代表试件绕弱轴 x 轴 (图 1)的名义长细比, 最后的数字为具 有相同截面尺寸和长细比的 3个试件序号。 表 2? 材性试验结果 Table 2? Tensile coupon test results 截面类型 fy/MPafu/MPa 125 8442?1595?0 140 1044
23、9?1612?0 160 10460?7618?6 180 12459?4614?4 200 14448?8609?0 1?3? 试验装置 采用 500t液压式压力试验机进行竖向单调静力 加载, 设备型号为 YES?500。试验机上下两加载端均 有球铰, 以释放轴压杆两端扭转和弯曲自由度, 即试 件两端边界条件为铰接。加载装置如图 4所示。图 中 1?1 1?4均为位移计编号, 分别测量柱端纵向和 柱中横向位移。 为使构件两端受力均匀, 加载时柱上、 下端部均 放置一端板, 端板的详细构造如图 5所示。端板尺寸 图 4? 试验加载装置图 F ig . 4? Test set?up 为 200m
24、m 350mm, 厚度 40mm, 材料为 Q235普通钢 材。为保证端板与试件端部和仪器加载端面能够完 全顶紧, 端板上下表面均铣平, 并在端板 6个表面加 工出定位中线。试验时为保证定位中线的交点与角 62 钢试件的几何中线重合, 同时防止角钢端部与端板 之间发生相对滑动且又不约束角钢肢边的局部弯曲 变形, 为此试验在每个端板上点焊了 4个 10mm厚的 耳板。耳板的定位位置随试件截面尺寸的不同而有 所变化。 图 5? 端板构造详图 F ig . 5? Details of end plate 1?4? 量测内容及方法 量测内容主要包括试件的实际尺寸、 初始缺陷 (几何初始缺陷和残余应力分
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