Q500qE高強(qiáng)鋼壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)研究

鞠曉臣 趙欣欣 劉曉光

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

為了適應(yīng)大跨度鋼橋建設(shè)需要，500 MPa級(jí)別的高強(qiáng)鋼已經(jīng)在一些超大跨度鋼橋中使用。隨著跨度的增加，橋梁橫截面增大，桿件長(zhǎng)度增加。由于鋼材強(qiáng)度提高后截面面積減小，壓桿穩(wěn)定成為橋梁桿件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要控制指標(biāo)。目前，針對(duì)建筑用鋼壓桿穩(wěn)定的規(guī)范已經(jīng)相對(duì)健全，但是橋梁用鋼壓桿穩(wěn)定規(guī)范發(fā)展相對(duì)滯后。TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］采用容許應(yīng)力法對(duì)屈服強(qiáng)度不高于420 MPa鋼壓桿穩(wěn)定系數(shù)取值作了規(guī)定。

學(xué)者們通過對(duì)不同細(xì)長(zhǎng)比的桿件進(jìn)行試驗(yàn)，觀察失穩(wěn)破壞狀態(tài)和極限承載力，再將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，研究壓桿的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［2］對(duì)Q420高強(qiáng)度等邊角鋼軸壓桿的整體穩(wěn)定性進(jìn)行軸壓靜力試驗(yàn)，研究其失穩(wěn)破壞形態(tài)和極限承載力，并分析板件寬厚比超限對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。文獻(xiàn)［3］對(duì)大角鋼構(gòu)件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大角鋼軸壓桿的失穩(wěn)形態(tài)主要為彎曲失穩(wěn)，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比小于40的大角鋼軸壓桿無需驗(yàn)算彎扭屈曲承載力，僅按照弱軸彎曲屈曲計(jì)算承載力便能保障設(shè)計(jì)安全。文獻(xiàn)［4］基于TB 10091—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，在設(shè)計(jì)受壓桿件時(shí)依據(jù)容許應(yīng)力法，考慮桿件長(zhǎng)細(xì)比、鋼材級(jí)別、截面類型、殘余應(yīng)力等因素對(duì)Q500qE高強(qiáng)鋼的穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值研究，并與各國(guó)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)［5］對(duì)變截面帶肋箱形壓桿的極限承載力進(jìn)行研究，通過極限承載力試驗(yàn)以及理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比小于50的箱形變截面桿件，在驗(yàn)算穩(wěn)定性時(shí)采用小截面端的截面屬性，在變截面位置設(shè)置橫隔板或加勁肋可提高板件的局部穩(wěn)定。文獻(xiàn)［6］針對(duì)GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］中短肢連接的不等邊角鋼計(jì)算公式不夠精確的問題，通過擬合得到了具有更高精度的單面連接單角鋼壓桿整體穩(wěn)定承載力計(jì)算公式。文獻(xiàn)［8］發(fā)現(xiàn)在實(shí)際工程中，跨中有支撐的等邊單角鋼壓桿會(huì)出現(xiàn)過早破壞的情況，通過試驗(yàn)得到此類構(gòu)件的破壞模式以及極限承載力。文獻(xiàn)［9］對(duì)單邊連接等邊角鋼進(jìn)行受壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件達(dá)到受壓極限承載力時(shí)，中點(diǎn)截面變形主要以繞平行于角鋼連接邊軸線彎曲變形為主，且中點(diǎn)截面扭轉(zhuǎn)變形很小，GB 50017—2003中對(duì)此類連接角鋼構(gòu)件的計(jì)算方法偏于保守。

本文以Q500qE高強(qiáng)鋼為對(duì)象開展壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)考慮桿件長(zhǎng)細(xì)比、截面形式、焊接殘余應(yīng)力等因素，長(zhǎng)細(xì)比采用了40、60和80，截面采用工字形和箱形兩種典型截面，采用退火消除殘余應(yīng)力，通過綜合對(duì)比不同規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)壓桿穩(wěn)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果提出Q500qE高強(qiáng)鋼壓桿的穩(wěn)定折減系數(shù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材性試驗(yàn)

在壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)之前進(jìn)行Q500qE高強(qiáng)鋼材性試驗(yàn)，制作了6根試件（編號(hào)LS-1—LS-6）。對(duì)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈服比、延伸率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），得到6根試件屈服強(qiáng)度平均值為514.5 MPa，略高于500 MPa。

表1 Q500qE高強(qiáng)鋼材性試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)概況

根據(jù)大橋Q500qE高強(qiáng)鋼壓桿的主要截面類型（圖1）和長(zhǎng)細(xì)比，選取五組試件，每組3個(gè)試件。其中，工字形截面的試件有四組，長(zhǎng)細(xì)比分別為40、60、80，各成一組，編號(hào)G40-1—G40-3，G60-1—G60-3，G80-1—G80-3；對(duì)長(zhǎng)細(xì)比為60的試件進(jìn)行2 h回火處理（580～600℃）以消除殘余應(yīng)力，單設(shè)一組，編號(hào)GH60-1—GH60-3。箱形截面的試件為一組，長(zhǎng)細(xì)比為60，編號(hào)X60-1—X60-3。

圖1 兩種截面形式（單位：mm）

壓桿穩(wěn)定加載裝置及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。壓桿下端為單向轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接，上端為全轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸連接。應(yīng)變片布置在試件兩端及中間，應(yīng)變片距離翼緣邊緣10 mm，采用位移計(jì)記錄壓桿側(cè)向位移。試驗(yàn)采用MTS2000 t試驗(yàn)加載機(jī)，逐級(jí)加載，加載級(jí)數(shù)根據(jù)不同長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行調(diào)整。

圖2 壓桿穩(wěn)定加載裝置及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)（單位：mm）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

工字形截面壓桿試驗(yàn)荷載-面外位移曲線見圖3。可知：①在荷載開始施加階段，由于加載端頭與壓桿并沒有完全接觸，以及壓桿沒有被完全固定等不確定性因素的存在，荷載-面外位移曲線呈現(xiàn)不規(guī)律性。隨著荷載的增加以及加載裝置的穩(wěn)定，荷載-面外位移曲線呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)增長(zhǎng)到一定程度后，曲線呈非線性快速增長(zhǎng)。②將荷載-位移幾何非線性起始點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載作為壓桿穩(wěn)定極限承載力，這個(gè)值與數(shù)值分析計(jì)算值［4］較為接近，如工字形截面壓桿長(zhǎng)細(xì)比為80時(shí)，計(jì)算值和試驗(yàn)值約為4 000 kN，壓桿長(zhǎng)細(xì)比為40時(shí)，計(jì)算值和試驗(yàn)值約為2 500 kN。

圖3 工字形截面壓桿試驗(yàn)荷載-面外位移曲線

全部壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見表2?？芍囼?yàn)結(jié)果規(guī)律性較好，與TB 10091—2005規(guī)范值和數(shù)值分析計(jì)算值［4］一致。隨著長(zhǎng)細(xì)比增加，穩(wěn)定折減系數(shù)降低；回火后，殘余應(yīng)力減小，穩(wěn)定折減系數(shù)增大；箱形截面穩(wěn)定系數(shù)比工字形截面大。另外，極限承載力試驗(yàn)值比數(shù)值分析計(jì)算值［4］大。分析原因可能是殘余應(yīng)力、初始缺陷等因素具有不確定性，以及加工和試驗(yàn)工裝產(chǎn)生的誤差略大，導(dǎo)致試驗(yàn)值比計(jì)算值略小。

表2 全部壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范值對(duì)比

本文試驗(yàn)壓桿截面類型屬于b類。將穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值與GB 50017—2003中四類截面壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)對(duì)比，見圖4?？芍?dāng)長(zhǎng)細(xì)比較小時(shí)，穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值在四類截面穩(wěn)定折減系數(shù)曲線包絡(luò)范圍內(nèi)，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，試驗(yàn)值明顯高于規(guī)范值。

圖4 穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值與規(guī)范值對(duì)比

將試驗(yàn)值與TB 10091—2005規(guī)范值和數(shù)值分析計(jì)算值［4］進(jìn)行對(duì)比，見圖5。可知，壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值略高于規(guī)范值。長(zhǎng)細(xì)比較高時(shí)，穩(wěn)定折減系數(shù)數(shù)值分析計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大。

圖5 穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值與規(guī)范值和文獻(xiàn)［4］計(jì)算值對(duì)比

長(zhǎng)細(xì)比為40和80時(shí)不同規(guī)范Q500橋梁用鋼壓桿穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算值及本文推薦值見表3。可知，推薦值比其他規(guī)范計(jì)算值偏保守。原因是四種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有別于鋼橋?qū)Ｓ迷O(shè)計(jì)規(guī)范，橋梁用鋼有其自身的特點(diǎn)。例如：施工控制難度大，結(jié)構(gòu)龐大，易導(dǎo)致明顯的初始缺陷，作用荷載大、使用環(huán)境相對(duì)惡劣等因素都會(huì)直接或間接影響對(duì)壓桿穩(wěn)定性的要求。

表3 不同規(guī)范Q500橋梁用鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)計(jì)算值及推薦值

綜合考慮試驗(yàn)和數(shù)值分析［4］的結(jié)果，以及規(guī)范中低級(jí)別鋼材采用的壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)計(jì)算方法，給出Q500q高強(qiáng)鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)推薦值，見表4。

表4 Q500q高強(qiáng)壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)推薦值

4 結(jié)論

1）隨著長(zhǎng)細(xì)比增加，壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)減?。换鼗鹪囼?yàn)降低了殘余應(yīng)力，得到的穩(wěn)定折減系數(shù)比無回火試件高，說明殘余應(yīng)力對(duì)壓桿穩(wěn)定有明顯影響。相同長(zhǎng)細(xì)比下箱形截面的壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)大于工字形截面壓桿。

2）將Q500橋梁用鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)試驗(yàn)值與各國(guó)規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，本文試驗(yàn)值規(guī)律性較好，并依據(jù)TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，給出Q500qE高強(qiáng)鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)推薦值。