跨中有支撑的等边单角钢压杆承载力试验研究

JournalOfNortheastElectricPowerUniversity东北电力大学学报

Vol.38,No.3

Jun,2018

文章编号:1005-2992(2018)03-0072-07

跨中有支撑的等边单角钢压杆承载力试验研究

鞠彦忠,沈卫彬,王德弘,白俊峰

(东北电力大学建筑工程学院,吉林吉林132012)

摘　　　要:在输电铁塔工程中一些跨中有支撑的等边单角钢压杆被经常使用,国内《钢结构设计规范》以及《架空送电线路杆塔设计技术规定》提供了等边单角钢压杆的稳定承载力计算方法,但没有给出跨中有支撑的等边单角钢压杆的计算公式,常采用单角钢的计算公式进行计算,实际工程发现有些此类单角钢会出现过早破坏的案例.根据三种截面规格的六种长细比共计54根跨中有支撑的单角钢压杆的试验结果,得到了此类构件在不同长细比下的破坏模式以及极限承载力,结果表明:大长细比构件的失稳模式为绕平行轴失稳,极限承载力较《架空送电线路杆塔设计技术规定》(DL/T5154-2012)规范设计值低,偏于不安全;小长细比试件有时会发生局部失稳,极限承载力较《架空送电线路杆塔设计技术规定》(DL/T5154-2012)规范值高,具有较高的安全裕度.关

键

词:等边单角钢;支撑;极限承载力

中图分类号:TU392.3　　　　文献标识码:A

在输电结构工程构件设计时,大部分构件常采用的是等边单角钢,其中包括很多单面连接的单斜材.此类构件包括两种型式,一种是跨中有支撑的单斜材,另一种是跨中无支撑的单斜材,由于等边单角钢截面的形心与剪心不重合,对于无支撑的受压单角钢斜材,承受外部荷载时,除绕对称轴呈弯扭屈曲失稳外,绕非对称轴是弯曲失稳.对于跨中有支撑的斜材,因为支撑了构件绕侧向的扭转,使得其弯曲形式通常是绕平行于x轴弯曲失稳.

目前对于此类构件,国内外规范并未给出明确的计算方法,通常是将其按单角钢轴心压杆的计算公式来设计.我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)[1]对于单角钢设计时,采用的是轴心受压构件的整体稳定计算公式,并乘以一个强度折减系数来到达降低整体稳定系数的目的.行业内采用的《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154-2012)[2]在计算单面螺栓连接角钢极限承载力时,考虑了端部约束以及偏心的影响,并对长细比进行了修正,用修正后的长细比计算稳定系数.但是在最近几年的实际工程以及试验过程中,发现跨中有支撑的受压单角钢构件,常出现一些构件过早破坏的现象,这表明采用我国现行的规范中单角钢压杆计算公式来设计跨中有支撑的受压单角钢构件是不妥的,存在着一些安全问题.

目前国内针对此类问题还缺乏相关的研究.为了进一步探讨跨中有支撑的单面连接单角钢构件在受力过程中构件的实际承载力达不到规范设计值就已经破坏的原因,本文拟通过试验研究构件的破坏过程以及失稳模式,得出试验承载力值,并结合国内的相关规范,找出规范的不足,为解决输电铁塔中受压角钢构件选材以及提高该类构件承载力的构造措施提供理论依据和技术支持.

收稿日期:2017-04-07

第一作者:鞠彦忠(1963-),男,博士,教授,主要研究方向:输电线路工程通讯作者:白俊峰(1983-),男,硕士,讲师,主要研究方向:输电线路工程

电子邮箱:juyanzhong@126.com(鞠彦忠);17626615@qq.com(沈卫彬);hitwdh@126.com(王德弘);93732309@qq.com(白俊峰)

第3期　　　　　　鞠彦忠等:跨中有支撑的等边单角钢压杆承载力试验研究

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1　试验研究

1.1　试验概况

本文对角钢塔构件中一些跨中有支撑的单角钢受压构件进行承载力试验,试件均采用Q345钢材

的角钢,支撑采用Q235钢材的角钢,按照三种不同角钢截面型号、六种不同长细比把试验角钢构件划分18组,每组3根试件,共计54根.

试件的命名规则为:“L”表示等边角钢,“100”表示角钢肢宽度为100mm,“8”表示角钢厚度为8mm,“(1)”表示相同规格相同长细比同组试验的第一根.试验前对试件进行测量,试件的参数表,如表1所示.

SectionmodelL70×6L70×6L70×6L70×6L70×6L70×6L80×7L80×7L80×7L80×7L100×8L100×8L100×8L100×8L100×8L100×8L80×7L80×7

表1　试验试件参数表305070110130305070110130305070110130909090λ

L/mm1255168521152545297514101902239428863378110417202336295235684184925918

A/mm2816816816816816108610861086108610861086151515151515816

受压试件的约束条件为一端铰接,一端固定.加载端使用MTS设备通过T型连接板与试件一端相连,MTS加载端有球铰,可以释放试件的弯曲和扭转,即试件加载端的约束为铰接;固定端使用固定支座通过T型连接板与试件另一端相连.T型连接板上焊接打有螺栓孔的角钢连接件,孔直径为21.5mm,螺栓1.2　加载装置强度等级为8.8级.

试件采用MTS电液伺服加载系统进行加载.加

载装置以及示意图,如图1、图3所示.MTS可实现微机控制力和位移,并同步采集力和轴向位移数据,能实时记录加载过程中荷载与试件轴线位移的关系,并可描绘出两者的关系曲线,还能获取试件的极限承载力.图跨中有支撑的试件示意图,如图2所示.

图1　加载装置图2　跨中有支撑试件

图3　加载装置示意图

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1.3　测试方案

东北电力大学学报第38卷

按长细比为30、50的小长细比试件和70、90、110、130的大长细比试件不同的受力性质,其应变片

粘贴位置也不尽相同;小长细比试件应变片贴在试件长度的1/8、1/4、1/2截面处,每个截面在六个部位贴六个应变片;大长细比试件应变片贴在试件长度的1/4、3/8、1/2截面处.每个截面在六个部位贴六个应变片.测点布置如图4所示.

图4　测点布置图

试验测试内容:为了了解各控制截面的应力分布规律,分别在角钢控制截面处粘贴5mm×3mm的电阻应变片,这样可以得到试件在加载过程中的应力变化,并为判断极限压应力提供依据.在两端和跨中布置位移计,通过采集位移计的瞬时数据,可以绘制压力-挠度曲线,掌握该角钢截面弯曲或扭转变1.4　加载制度形状态.

极限荷载的0%~50%之间时,每级所施加的荷载取破坏荷载的10%;当施加荷载在极限荷载的50%是0.1mm/s,直至达到试件失稳破坏.

MTS的微机操控端前期通过静力加载,后期采用位移控制进行加载,加载步骤如下:当施加荷载在

~80%,每级所施加的荷载取破坏荷载的5%;当施加荷载达到极限荷载的80%后,采用位移控制,速率

2　试验结果

2.1　失稳模式

试验结果发现对于每种长细比,三种截面规格的试件的试验现象基本一样,因此每种长细比下给出

了一种截面规格的试件的变形图,如图5所示.从试件变形图中可以看到,在长细比小于50(λ<50)时,试件除了会出现沿平行轴发生的弯曲失稳以外,还会发生端部局部失稳如图5(a)所示.而长细比较大(λ≥70)的试件失稳模式均为绕平行轴的弯曲失稳.这与单面连接的单角钢在外荷载作用下通常出现典型的弯扭失稳现象有差别.这是因为,对于跨中有支撑的单角钢受力时,由于支撑的约束作用,了单角钢压杆的扭转屈曲,使得受压试件只能绕与连接肢平行的轴发生屈曲失稳.2.2　中截面荷载-轴向位移和荷载-挠度曲线

以L100×8-110(2)和L80×7-70(3)为例进行说明,如图6所示.随着荷载增加,试件中截面的挠度

增长速度较快,但数值并不是太大,大概15mm左右,当荷载达到极限承载力时,长细比为110的试件的最大挠度比长细比为70的试件大,这可能是因为跨中支撑对于大长细比试件的约束程度不强,使其弯曲程度较大导致.另外从荷载-轴向位移曲线可以看出,当试件达到极限荷载时,两种长细比下试件的轴向位移值较为接近,这表明跨中支撑对于试件轴向位移的影响不大.

第3期　　　　　　鞠彦忠等:跨中有支撑的等边单角钢压杆承载力试验研究

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图5　试件变形图

图6　荷载-轴向位移和荷载-挠度曲线

2.3　稳定极限承载力

每个试件在加载过程中,MTS微机控制端能同步采集力和轴向位移的数据,还能实时记录加载过程中荷载与试件轴向位移的关系,并可描绘出两者的关系曲线,从位移荷载曲线中可提取出试件的极限承载力.根据同种截面规格相同长细比的3根试件的试验值,可以得到其平均值,将其作为试验极限承载力.试件的稳定承载力试验结果,如表3所示.并和《架空送电线路杆塔设计技术规定》、《钢结构设计规范》中单角钢压杆的理论值作出对比,两种规范的计算方法,如表2所示.

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东北电力大学学报

表2　规范对单角钢极限承载力的计算方法

规范

承载力计算公式

关于长细比规定

稳定系数取值

当

备注

第38卷

钢结构设计规范GB50017-2003

σ=N/(φA)≤mNf

0<λ≤120:Kλ=60+0.5λ120<λ≤250:

Kλ=46.2+0.615λ

根据Kλ值查表得到稳定系数

202b363当<≤时,

tffb/t

mN=1.667-0.667

(b/t)lim当mN=0.6+0.0015λ≥1时,

mN=1

bb202≤()lim=时,ttfmN=1;

架空送电线路杆塔设计技术规定

DL/T5154-2012

σ=N/(φA)≤(0.6+0.0015λ)f

λ=L/i

根据λ值查表得到稳定系数

表3　试验值与规范计算值比较

型号L70×6-30L70×6-50L70×6-110L70×6-130L80×7-30L80×7-50L80×7-70L80×7-90L70×6-70L70×6-90

1

实测承载力(kN)

172.37139.70118.4288.60482.565234.28177.22152.22124.2298.9488.32218.4332.81262.86159.94133.10109.58.2

3

平均值172.7144.4114.4.4578.45.87234.5193.4152.7121.7102.993.07336.5263.7222.3136.19112.60152.5

规范值(kN)

GB5007-2003DL/T5154-2012148.96137.45117.1692.78.38198.25182.93155.93123.47118.98102.51285.52263.45224.57177.83151.72129.4677.11

142.42135.59115.37101.4488.0375.187.18180.45156.21135.00117.16105.99269.54259.84224.94194.40161.70134.43

平均值GB116%105%97%96%87%118%106%97%98%86%118%100%99%86%%86%90%84%

平均值DL121%106%99%88%88%125%107%98%90%87%124%102%98%78%84%84%87%85%

175.23147.77115.3088.03.61236.37178.67155.79126.50106.76339.14263.83225.03140.83136.63109.8692.65.62

170.63145.85109.5592.2587.18232.97179.45150.10114.52103.10337.782.59223.70156.74138.83118.3498.02.37

L80×7-110L80×7-130L100×8-30L100×8-50L100×8-110L100×8-130L100×8-70L100×8-90

从表中可以看出,对于3种不同截面型号的试件,在长细比小于50的情况下,试验测得的稳定极限承载力明显高于两种规范的设计值,特别是对长细比为30的试件,不同的宽厚比试件的试验值高出规范设计值很多,超出范围大概在15%~25%之间,可以看出两种规范对于小长细比的单角钢设计时,都留有较高的安全裕度,这表明对于跨中有支撑的单角钢设计时,采用规范中的单角钢压杆的设计公式是可靠的.而在长细比大于50时,长细比越大,试件的试验稳定极限承载力值比两种规范的计算值越小,范围在10%~22%,试件出现过早破坏的现象,这表明对于大长细比的试件采用规范的计算公式,会出现实际承载力达不到理论设计值就已经发生破坏的情况,因此对于跨中有支撑的单角钢构件,需要采用2.4　国内相关规范的对比更合理的计算公式来进行计算.

对于跨中有支撑的单角钢构件,目前国内外还没有实用的计算公式,通常也是采用计算单角钢承载

力的方法,考虑强度折减系数或者计算长度修正系数,将其转化成轴心受压杆件进行计算.但根据本文对试件的试验研究,明显能看出此类计算方法的不足.有关学者也对此类构件的稳定极限承载力展开过研究[4~13],文献[9]结合实际工程中铁塔颈下曲臂的斜材,采用计算的方法,对比了美国《ASCE》导则和中国《SDGJ94-90规定》、《GBJ17-88规范》的计算公式的差异,发现对于受平行轴控制的铁塔斜材,采用《GBJ17-88规范》比较接近试验的实际情况,而其他两种规范的计算结果偏离实际较远.简单的理论

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计算方法会与实际状况有差异,因此试验结合理论往往更有研究价值.文献[10]中设计了单面螺栓连接单角钢压杆承载力的试验,重点研究了压杆两端约束对实际稳定承载力的影响,发现对于两端约束为铰接的杆件会出现过早破坏的现象,认为《DL/T5154—2002规定》中的计算公式用于跨中无支撑的单斜材较为安全,而用于端部约束较弱的跨中有支撑的单斜材偏不安全计算表达式,也就是取决于柱子稳定系数的取值[6],所以对单角钢压杆稳定承载力计算公式的调整,本质上是对稳定系数的调整,本文在参考相关文献研究的基础上,针对本文的试验研究结果,由稳定系数的定义,φ=σu/fy,其中,σu=pu/A,pu为试验测得的将根据试验结果得到的整体稳定系数与用《DL/T5154—2012规定》和《GBJ17-88规范》中单角钢计算公式中的柱子曲线对比结果,如图7所示.

从图7可以看出,钢结构设计规范中的稳定系

数值明显比架空送电线路杆塔构件设计规定和试验反推值高,这是由于《钢结构设计规范》对于偏心受压角钢没有明确的计算公式,只是通过强度折减系数来考虑等边角钢单面连接时双向压弯的影响,在对稳定系数的取值时,是直接根据柱子曲线,查b类截面表按差值法取得的,而《架空送电线路杆塔构件设计规定》中对于单面连接单角钢稳定系数的取值时参考了《美国输电铁塔设计导则》[11],考虑了连接偏心和端部约束的影响,对于不同的长细比采用不同的长细比修正系数计算公式,当两端偏心受压时:0≤λ≤120时,K=0.5+60/λ;120≤λ≤250时,K=0.615+46.2/λ,再根据计算出的Kλ值查b类柱子曲线得到构架的稳定系数,这样一来使得稳定系数的取值较钢结构设计规范较小,总体来说更符合实际情况.从试验结果反推出的稳定系数值来看,在长细比小于50的情况下,试验值反推的稳定系数值较大,当长细比大于50时,《架空送电线路杆塔构件设计规定》的稳定系数大.整体来看,对于跨中有支撑的单角钢受压杆件,采用《钢结构设计规范》和《架空送电线路杆塔构件设计规定》的单角钢压杆的计算公式设计时,均不能反映构件的实际受力情况,前者与实际情况相差较大,后者相差较小,因此在对此类构件进行设计时,考虑跨中支撑的影响,建议对《架空送电线路杆塔构件设计规定》中的单角钢压杆计算公式进行调整,借鉴以往经验,针对长细比再次进行修正,对于长细比小于50时,降低其长细比修正系数;对长细比大于50时,通过增加其长细比修正系数来达到降低稳定系数的目的,以达到满足实际工况的要求,供以后的设计参考.

影响构件稳定承载力的主要因素为柱子曲线的

稳定极限承载力,反推出各个试件的整体稳定系数,

图7　试验结果与规范柱子曲线对比

3　结　　论

件有时会发生端部的局部失稳,但通常也是绕平行轴的弯曲失稳.限承载力值达不到两种规范设计值,数值相差10%~20%.

(1)对于跨中有支撑的单角钢受压构件,大长细比试件发生绕平行轴的弯曲失稳破坏,小长细比试(2)长细比小于50的试件试验稳定极限承载力较两种规范值都大,长细比大于50的试件,试验极(3)采用《钢结构设计规范》和《架空送电线路杆塔构件设计规定》中单角钢压杆的计算公式来对

跨中有支撑的受压杆件进行设计时,均不能反映实际情况,前者相差较大,建议对后者的长细比修正公式进行调整.

参　考　文　献

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东北电力大学学报第38卷

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ExperimentalStudyonBearingCapacityofSingleEqual-Angle

SteelStrutbySupportinTheAcross

JuYanzhong,ShenWeibin,WangDehong,BaiJunfeng

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,NortheastElectricPowerUniversity,JilinJilin132012)

Abstract:Inthetransmissiontowerprojectisoftenusedinsomeofthesupportoftheequilateralsingleangletechnicalprovisionsprovidesthesamesideoftheangleofthestabilityofthebearingcapacitycalculationmeth-od,Butonthesupportofthecross-equilateralsingle-anglebarisrelativelyroughrules.Inthispaper,theulti-matebearingcapacityandfailuremodesunderdifferentslendernessratiosareobtainedaccordingtothetestre-sultsof54single-spansteelstrutswiththreekindsofcross-sectionandsixcross-sectionspecifications.There-instabilityoftheslenderspecimeniseasytooccur.Theultimateload-carryingcapacity(DL/T5154-2012)specificationvalueishigh,withhighsecuritymargin.

Keywords:Singleequal-anglesteelstrut;Support;Ultimatebearingcapacity

sultsshowthat:Theultimateload-carryingcapacityislowerthanthedesignvalueofDL/T5154-2012,andthe

bar,thecurrentdomesticsteelstructurespecificationsandtheoverheadtransmissionlinetowerdesign