跨中有支撐的等邊單角鋼壓桿承載力試驗研究

鞠彥忠，沈衛(wèi)彬，王德弘，白俊峰

(東北電力大學建筑工程學院，吉林吉林132012)

在輸電結(jié)構(gòu)工程構(gòu)件設(shè)計時，大部分構(gòu)件常采用的是等邊單角鋼，其中包括很多單面連接的單斜材．此類構(gòu)件包括兩種型式，一種是跨中有支撐的單斜材，另一種是跨中無支撐的單斜材，由于等邊單角鋼截面的形心與剪心不重合，對于無支撐的受壓單角鋼斜材，承受外部荷載時，除繞對稱軸呈彎扭屈曲失穩(wěn)外，繞非對稱軸是彎曲失穩(wěn)．對于跨中有支撐的斜材，因為支撐限制了構(gòu)件繞側(cè)向的扭轉(zhuǎn)，使得其彎曲形式通常是繞平行于x軸彎曲失穩(wěn)．

目前對于此類構(gòu)件，國內(nèi)外規(guī)范并未給出明確的計算方法，通常是將其按單角鋼軸心壓桿的計算公式來設(shè)計．我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017－2003)［1］對于單角鋼設(shè)計時，采用的是軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定計算公式，并乘以一個強度折減系數(shù)來到達降低整體穩(wěn)定系數(shù)的目的．行業(yè)內(nèi)采用的《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T5154－2012)［2］在計算單面螺栓連接角鋼極限承載力時，考慮了端部約束以及偏心的影響，并對長細比進行了修正，用修正后的長細比計算穩(wěn)定系數(shù)．但是在最近幾年的實際工程以及試驗過程中，發(fā)現(xiàn)跨中有支撐的受壓單角鋼構(gòu)件，常出現(xiàn)一些構(gòu)件過早破壞的現(xiàn)象，這表明采用我國現(xiàn)行的規(guī)范中單角鋼壓桿計算公式來設(shè)計跨中有支撐的受壓單角鋼構(gòu)件是不妥的，存在著一些安全問題．

目前國內(nèi)針對此類問題還缺乏相關(guān)的研究．為了進一步探討跨中有支撐的單面連接單角鋼構(gòu)件在受力過程中構(gòu)件的實際承載力達不到規(guī)范設(shè)計值就已經(jīng)破壞的原因，本文擬通過試驗研究構(gòu)件的破壞過程以及失穩(wěn)模式，得出試驗承載力值，并結(jié)合國內(nèi)的相關(guān)規(guī)范，找出規(guī)范的不足，為解決輸電鐵塔中受壓角鋼構(gòu)件選材以及提高該類構(gòu)件承載力的構(gòu)造措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支持．

1 試驗研究

1．1 試驗概況

本文對角鋼塔構(gòu)件中一些跨中有支撐的單角鋼受壓構(gòu)件進行承載力試驗，試件均采用Q345鋼材的角鋼，支撐采用Q235鋼材的角鋼，按照三種不同角鋼截面型號、六種不同長細比把試驗角鋼構(gòu)件劃分18組，每組3根試件，共計54根．

試件的命名規(guī)則為:“L”表示等邊角鋼，“100”表示角鋼肢寬度為100 mm，“8”表示角鋼厚度為8 mm，“(1)”表示相同規(guī)格相同長細比同組試驗的第一根．試驗前對試件進行測量，試件的參數(shù)表，如表1所示．

受壓試件的約束條件為一端鉸接，一端固定．加載端使用MTS設(shè)備通過T型連接板與試件一端相連，MTS加載端有球鉸，可以釋放試件的彎曲和扭轉(zhuǎn)，即試件加載端的約束為鉸接;固定端使用固定支座通過T型連接板與試件另一端相連．T型連接板上焊接打有螺栓孔的角鋼連接件，孔直徑為21．5 mm，螺栓強度等級為8．8級．

1．2 加載裝置

試件采用MTS電液伺服加載系統(tǒng)進行加載．加載裝置以及示意圖，如圖1、圖3所示．MTS可實現(xiàn)微機控制力和位移，并同步采集力和軸向位移數(shù)據(jù)，能實時記錄加載過程中荷載與試件軸線位移的關(guān)系，并可描繪出兩者的關(guān)系曲線，還能獲取試件的極限承載力．圖跨中有支撐的試件示意圖，如圖2所示．

表1 試驗試件參數(shù)表

圖1 加載裝置

圖2 跨中有支撐試件

圖3 加載裝置示意圖

1．3 測試方案

按長細比為30、50的小長細比試件和70、90、110、130的大長細比試件不同的受力性質(zhì)，其應(yīng)變片粘貼位置也不盡相同;小長細比試件應(yīng)變片貼在試件長度的1/8、1/4、1/2截面處，每個截面在六個部位貼六個應(yīng)變片;大長細比試件應(yīng)變片貼在試件長度的1/4、3/8、1/2截面處．每個截面在六個部位貼六個應(yīng)變片．測點布置如圖4所示．

圖4 測點布置圖

試驗測試內(nèi)容:為了了解各控制截面的應(yīng)力分布規(guī)律，分別在角鋼控制截面處粘貼5 mm×3 mm的電阻應(yīng)變片，這樣可以得到試件在加載過程中的應(yīng)力變化，并為判斷極限壓應(yīng)力提供依據(jù)．在兩端和跨中布置位移計，通過采集位移計的瞬時數(shù)據(jù)，可以繪制壓力－撓度曲線，掌握該角鋼截面彎曲或扭轉(zhuǎn)變形狀態(tài)．

1．4 加載制度

MTS的微機操控端前期通過靜力加載，后期采用位移控制進行加載，加載步驟如下:當施加荷載在極限荷載的0%～50%之間時，每級所施加的荷載取破壞荷載的10%;當施加荷載在極限荷載的50%～80%，每級所施加的荷載取破壞荷載的5%;當施加荷載達到極限荷載的80%后，采用位移控制，速率是0．1 mm/s，直至達到試件失穩(wěn)破壞．

2 試驗結(jié)果

2．1 失穩(wěn)模式

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于每種長細比，三種截面規(guī)格的試件的試驗現(xiàn)象基本一樣，因此每種長細比下給出了一種截面規(guī)格的試件的變形圖，如圖5所示．從試件變形圖中可以看到，在長細比小于50(λ＜50)時，試件除了會出現(xiàn)沿平行軸發(fā)生的彎曲失穩(wěn)以外，還會發(fā)生端部局部失穩(wěn)如圖5(a)所示．而長細比較大(λ≥70)的試件失穩(wěn)模式均為繞平行軸的彎曲失穩(wěn)．這與單面連接的單角鋼在外荷載作用下通常出現(xiàn)典型的彎扭失穩(wěn)現(xiàn)象有差別．這是因為，對于跨中有支撐的單角鋼受力時，由于支撐的約束作用，限制了單角鋼壓桿的扭轉(zhuǎn)屈曲，使得受壓試件只能繞與連接肢平行的軸發(fā)生屈曲失穩(wěn)．

2．2 中截面荷載－軸向位移和荷載－撓度曲線

以L100×8－110(2)和L80×7－70(3)為例進行說明，如圖6所示．隨著荷載增加，試件中截面的撓度增長速度較快，但數(shù)值并不是太大，大概15 mm左右，當荷載達到極限承載力時，長細比為110的試件的最大撓度比長細比為70的試件大，這可能是因為跨中支撐對于大長細比試件的約束程度不強，使其彎曲程度較大導致．另外從荷載－軸向位移曲線可以看出，當試件達到極限荷載時，兩種長細比下試件的軸向位移值較為接近，這表明跨中支撐對于試件軸向位移的影響不大．

圖5 試件變形圖

圖6 荷載－軸向位移和荷載－撓度曲線

2．3 穩(wěn)定極限承載力

每個試件在加載過程中，MTS微機控制端能同步采集力和軸向位移的數(shù)據(jù)，還能實時記錄加載過程中荷載與試件軸向位移的關(guān)系，并可描繪出兩者的關(guān)系曲線，從位移荷載曲線中可提取出試件的極限承載力．根據(jù)同種截面規(guī)格相同長細比的3根試件的試驗值，可以得到其平均值，將其作為試驗極限承載力．試件的穩(wěn)定承載力試驗結(jié)果，如表3所示．并和《架空送電線路桿塔設(shè)計技術(shù)規(guī)定》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中單角鋼壓桿的理論值作出對比，兩種規(guī)范的計算方法，如表2所示．

表2 規(guī)范對單角鋼極限承載力的計算方法

表3 試驗值與規(guī)范計算值比較

從表中可以看出，對于3種不同截面型號的試件，在長細比小于50的情況下，試驗測得的穩(wěn)定極限承載力明顯高于兩種規(guī)范的設(shè)計值，特別是對長細比為30的試件，不同的寬厚比試件的試驗值高出規(guī)范設(shè)計值很多，超出范圍大概在15%～25%之間，可以看出兩種規(guī)范對于小長細比的單角鋼設(shè)計時，都留有較高的安全裕度，這表明對于跨中有支撐的單角鋼設(shè)計時，采用規(guī)范中的單角鋼壓桿的設(shè)計公式是可靠的．而在長細比大于50時，長細比越大，試件的試驗穩(wěn)定極限承載力值比兩種規(guī)范的計算值越小，范圍在10%～22%，試件出現(xiàn)過早破壞的現(xiàn)象，這表明對于大長細比的試件采用規(guī)范的計算公式，會出現(xiàn)實際承載力達不到理論設(shè)計值就已經(jīng)發(fā)生破壞的情況，因此對于跨中有支撐的單角鋼構(gòu)件，需要采用更合理的計算公式來進行計算．

2．4 國內(nèi)相關(guān)規(guī)范的對比

對于跨中有支撐的單角鋼構(gòu)件，目前國內(nèi)外還沒有實用的計算公式，通常也是采用計算單角鋼承載力的方法，考慮強度折減系數(shù)或者計算長度修正系數(shù)，將其轉(zhuǎn)化成軸心受壓桿件進行計算．但根據(jù)本文對試件的試驗研究，明顯能看出此類計算方法的不足．有關(guān)學者也對此類構(gòu)件的穩(wěn)定極限承載力展開過研究［4～13］，文獻［9］結(jié)合實際工程中鐵塔頸下曲臂的斜材，采用計算的方法，對比了美國《ASCE》導則和中國《SDGJ94－90規(guī)定》、《GBJ17－88規(guī)范》的計算公式的差異，發(fā)現(xiàn)對于受平行軸控制的鐵塔斜材，采用《GBJ17－88規(guī)范》比較接近試驗的實際情況，而其他兩種規(guī)范的計算結(jié)果偏離實際較遠．簡單的理論計算方法會與實際狀況有差異，因此試驗結(jié)合理論往往更有研究價值．文獻［10］中設(shè)計了單面螺栓連接單角鋼壓桿承載力的試驗，重點研究了壓桿兩端約束對實際穩(wěn)定承載力的影響，發(fā)現(xiàn)對于兩端約束為鉸接的桿件會出現(xiàn)過早破壞的現(xiàn)象，認為《DL/T 5154—2002規(guī)定》中的計算公式用于跨中無支撐的單斜材較為安全，而用于端部約束較弱的跨中有支撐的單斜材偏不安全

影響構(gòu)件穩(wěn)定承載力的主要因素為柱子曲線的計算表達式，也就是取決于柱子穩(wěn)定系數(shù)的取值［6］，所以對單角鋼壓桿穩(wěn)定承載力計算公式的調(diào)整，本質(zhì)上是對穩(wěn)定系數(shù)的調(diào)整，本文在參考相關(guān)文獻研究的基礎(chǔ)上，針對本文的試驗研究結(jié)果，由穩(wěn)定系數(shù)的定義，φ=σu/fy，其中，σu=pu/A，pu為試驗測得的穩(wěn)定極限承載力，反推出各個試件的整體穩(wěn)定系數(shù)，將根據(jù)試驗結(jié)果得到的整體穩(wěn)定系數(shù)與用《DL/T 5154—2012規(guī)定》和《GBJ17－88規(guī)范》中單角鋼計算公式中的柱子曲線對比結(jié)果，如圖7所示．

從圖7可以看出，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的穩(wěn)定系數(shù)值明顯比架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定和試驗反推值高，這是由于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對于偏心受壓角鋼沒有明確的計算公式，只是通過強度折減系數(shù)來考慮等邊角鋼單面連接時雙向壓彎的影響，在對穩(wěn)定系數(shù)的取值時，是直接根據(jù)柱子曲線，查b類截面表按差值法取得的，而《架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定》中對于單面連接單角鋼穩(wěn)定系數(shù)的取值時參考了《美國輸電鐵塔設(shè)計導則》［11］，考慮了連接偏心和端部約束的影響，對于不同的長細比采用不同的長細比修正系數(shù)計算公式，當兩端偏心受壓時:0≤λ≤120 時，K=0．5+60/λ;120≤λ≤250 時，K=0．615+46．2/λ，再根據(jù)計算出的 Kλ 值查 b 類柱子曲線得到構(gòu)架的穩(wěn)定系數(shù)，這樣一來使得穩(wěn)定系數(shù)的取值較鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范較小，總體來說更符合實際情況．從試驗結(jié)果反推出的穩(wěn)定系數(shù)值來看，在長細比小于50的情況下，試驗值反推的穩(wěn)定系數(shù)值較大，當長細比大于50時，《架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定》的穩(wěn)定系數(shù)大．整體來看，對于跨中有支撐的單角鋼受壓桿件，采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定》的單角鋼壓桿的計算公式設(shè)計時，均不能反映構(gòu)件的實際受力情況，前者與實際情況相差較大，后者相差較小，因此在對此類構(gòu)件進行設(shè)計時，考慮跨中支撐的影響，建議對《架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定》中的單角鋼壓桿計算公式進行調(diào)整，借鑒以往經(jīng)驗，針對長細比再次進行修正，對于長細比小于50時，降低其長細比修正系數(shù);對長細比大于50時，通過增加其長細比修正系數(shù)來達到降低穩(wěn)定系數(shù)的目的，以達到滿足實際工況的要求，供以后的設(shè)計參考．

圖7 試驗結(jié)果與規(guī)范柱子曲線對比

3 結(jié) 論

(1)對于跨中有支撐的單角鋼受壓構(gòu)件，大長細比試件發(fā)生繞平行軸的彎曲失穩(wěn)破壞，小長細比試件有時會發(fā)生端部的局部失穩(wěn)，但通常也是繞平行軸的彎曲失穩(wěn)．

(2)長細比小于50的試件試驗穩(wěn)定極限承載力較兩種規(guī)范值都大，長細比大于50的試件，試驗極限承載力值達不到兩種規(guī)范設(shè)計值，數(shù)值相差10%～20%．

(3)采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《架空送電線路桿塔構(gòu)件設(shè)計規(guī)定》中單角鋼壓桿的計算公式來對跨中有支撐的受壓桿件進行設(shè)計時，均不能反映實際情況，前者相差較大，建議對后者的長細比修正公式進行調(diào)整．

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB 50017－2003［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

［2］ 中華人民共和國國家經(jīng)貿(mào)委員會．架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定:DL/T 5154－2012［S］．北京:中國電力出版社，2012．

［3］ 郭兵．單角鋼壓桿的屈曲及穩(wěn)定計算［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，325(6):108－111．

［4］ 史玉倫，李正良，張東英，等．單邊連接的等邊角鋼壓桿承載力試驗研究［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(3):206－209．

［5］ 郭小農(nóng)，黃瑋嘉，周銳．單面連接單角鋼壓桿承載力試驗研究［J］．力學季刊，2015，36(4):729－739．

［6］ C．J．Earls．Design of single angle bent about the major principal axis［J］．Engineering Journal，2003:159－166．

［7］ S．Sakla and Temple．Single angle compression members welded by one leg to a gusset plate Experimental Study［J］．Civil Engineering，2004，25(3):569－584．

［8］ 薛振農(nóng)．兩端偏心單角鋼壓桿力學性能分析［J］．四川建筑，2010，30(2):173－174．

［9］ 唐國安．受平行軸控制的鐵塔斜材穩(wěn)定計算的分析探討［J］．電力建設(shè)，1996(10):9－13．

［10］鄧洪洲，龍海波，董建堯，等．單面螺栓連接單角鋼壓桿的承載力試驗［J］．建筑科學與工程學報，2009，26(04):80－86．

［11］ American Society of Civil Engineers．Design of latticed steel transmission structure［S］．New York:American Society of Civil Engineers，1991．

［12］肖琦，宋玉，孫海軍，等．鐵塔與抱桿耦合系統(tǒng)抗風能力研究［J］．東北電力大學學報，2016，36(06):93－95．

［13］劉春城，龍祖良，景歡，等．考慮樁－土結(jié)構(gòu)相互作用的輸電塔風振相應(yīng)分析［J］．東北電力大學學報，2016，36(06):83－89．