Q500qE高強鋼壓桿穩定試驗研究

鞠曉臣 趙欣欣 劉曉光

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

為了適應大跨度鋼橋建設需要，500 MPa級別的高強鋼已經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，桿件長度增加。由于鋼材強度提高后截面面積減小，壓桿穩定成為橋梁桿件設計的一個重要控制指標。目前，針對建筑用鋼壓桿穩定的規范已經相對健全，但是橋梁用鋼壓桿穩定規范發展相對滯后。TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規范》［1］采用容許應力法對屈服強度不高于420 MPa鋼壓桿穩定系數取值作了規定。

學者們通過對不同細長比的桿件進行試驗，觀察失穩破壞狀態和極限承載力，再將試驗結果與現行國內外規范計算值進行對比分析，研究壓桿的穩定性。文獻［2］對Q420高強度等邊角鋼軸壓桿的整體穩定性進行軸壓靜力試驗，研究其失穩破壞形態和極限承載力，并分析板件寬厚比超限對試驗結果的影響。文獻［3］對大角鋼構件進行軸壓試驗，發現大角鋼軸壓桿的失穩形態主要為彎曲失穩，對于長細比小于40的大角鋼軸壓桿無需驗算彎扭屈曲承載力，僅按照弱軸彎曲屈曲計算承載力便能保障設計安全。文獻［4］基于TB 10091—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規范》中相關規定，在設計受壓桿件時依據容許應力法，考慮桿件長細比、鋼材級別、截面類型、殘余應力等因素對Q500qE高強鋼的穩定性進行了系統的數值研究，并與各國規范進行對比。文獻［5］對變截面帶肋箱形壓桿的極限承載力進行研究，通過極限承載力試驗以及理論計算發現，對于長細比小于50的箱形變截面桿件，在驗算穩定性時采用小截面端的截面屬性，在變截面位置設置橫隔板或加勁肋可提高板件的局部穩定。文獻［6］針對GB 50017—2003《鋼結構設計規范》［7］中短肢連接的不等邊角鋼計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定承載力計算公式。文獻［8］發現在實際工程中，跨中有支撐的等邊單角鋼壓桿會出現過早破壞的情況，通過試驗得到此類構件的破壞模式以及極限承載力。文獻［9］對單邊連接等邊角鋼進行受壓試驗發現，試件達到受壓極限承載力時，中點截面變形主要以繞平行于角鋼連接邊軸線彎曲變形為主，且中點截面扭轉變形很小，GB 50017—2003中對此類連接角鋼構件的計算方法偏于保守。

本文以Q500qE高強鋼為對象開展壓桿穩定試驗，試驗設計考慮桿件長細比、截面形式、焊接殘余應力等因素，長細比采用了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力，通過綜合對比不同規范中鋼結構壓桿穩定設計標準，結合試驗結果提出Q500qE高強鋼壓桿的穩定折減系數。

1 試驗研究

1.1 材性試驗

在壓桿穩定試驗之前進行Q500qE高強鋼材性試驗，制作了6根試件（編號LS-1—LS-6）。對屈服強度、抗拉強度、屈服比、延伸率等試驗數據進行統計（表1），得到6根試件屈服強度平均值為514.5 MPa，略高于500 MPa。

表1 Q500qE高強鋼材性試驗結果

1.2 試驗概況

根據大橋Q500qE高強鋼壓桿的主要截面類型（圖1）和長細比，選取五組試件，每組3個試件。其中，工字形截面的試件有四組，長細比分別為40、60、80，各成一組，編號G40-1—G40-3，G60-1—G60-3，G80-1—G80-3；對長細比為60的試件進行2 h回火處理（580～600℃）以消除殘余應力，單設一組，編號GH60-1—GH60-3。箱形截面的試件為一組，長細比為60，編號X60-1—X60-3。

圖1 兩種截面形式（單位：mm）

壓桿穩定加載裝置及試驗現場見圖2。壓桿下端為單向轉動鉸接，上端為全轉動球鉸連接。應變片布置在試件兩端及中間，應變片距離翼緣邊緣10 mm，采用位移計記錄壓桿側向位移。試驗采用MTS2000 t試驗加載機，逐級加載，加載級數根據不同長細比進行調整。

圖2 壓桿穩定加載裝置及試驗現場（單位：mm）

2 試驗結果分析

工字形截面壓桿試驗荷載-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-面外位移曲線呈現不規律性。隨著荷載的增加以及加載裝置的穩定，荷載-面外位移曲線呈線性增長，當增長到一定程度后，曲線呈非線性快速增長。②將荷載-位移幾何非線性起始點對應的荷載作為壓桿穩定極限承載力，這個值與數值分析計算值［4］較為接近，如工字形截面壓桿長細比為80時，計算值和試驗值約為4 000 kN，壓桿長細比為40時，計算值和試驗值約為2 500 kN。

圖3 工字形截面壓桿試驗荷載-面外位移曲線

全部壓桿穩定試驗結果見表2。可知，試驗結果規律性較好，與TB 10091—2005規范值和數值分析計算值［4］一致。隨著長細比增加，穩定折減系數降低；回火后，殘余應力減小，穩定折減系數增大；箱形截面穩定系數比工字形截面大。另外，極限承載力試驗值比數值分析計算值［4］大。分析原因可能是殘余應力、初始缺陷等因素具有不確定性，以及加工和試驗工裝產生的誤差略大，導致試驗值比計算值略小。

表2 全部壓桿穩定試驗結果

3 試驗結果與規范值對比

本文試驗壓桿截面類型屬于b類。將穩定折減系數試驗值與GB 50017—2003中四類截面壓桿穩定折減系數對比，見圖4。可知，當長細比較小時，穩定折減系數試驗值在四類截面穩定折減系數曲線包絡范圍內，當長細比較大時，試驗值明顯高于規范值。

圖4 穩定折減系數試驗值與規范值對比

將試驗值與TB 10091—2005規范值和數值分析計算值［4］進行對比，見圖5。可知，壓桿穩定折減系數試驗值略高于規范值。長細比較高時，穩定折減系數數值分析計算值與試驗值相差較大。

圖5 穩定折減系數試驗值與規范值和文獻［4］計算值對比

長細比為40和80時不同規范Q500橋梁用鋼壓桿穩定系數計算值及本文推薦值見表3。可知，推薦值比其他規范計算值偏保守。原因是四種鋼結構設計規范有別于鋼橋專用設計規范，橋梁用鋼有其自身的特點。例如：施工控制難度大，結構龐大，易導致明顯的初始缺陷，作用荷載大、使用環境相對惡劣等因素都會直接或間接影響對壓桿穩定性的要求。

表3 不同規范Q500橋梁用鋼壓桿穩定折減系數計算值及推薦值

綜合考慮試驗和數值分析［4］的結果，以及規范中低級別鋼材采用的壓桿穩定折減系數計算方法，給出Q500q高強鋼壓桿穩定折減系數推薦值，見表4。

表4 Q500q高強壓桿穩定折減系數推薦值

4 結論

1）隨著長細比增加，壓桿穩定折減系數減小；回火試驗降低了殘余應力，得到的穩定折減系數比無回火試件高，說明殘余應力對壓桿穩定有明顯影響。相同長細比下箱形截面的壓桿穩定折減系數大于工字形截面壓桿。

2）將Q500橋梁用鋼壓桿穩定折減系數試驗值與各國規范計算值進行對比，本文試驗值規律性較好，并依據TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規范》，給出Q500qE高強鋼壓桿穩定折減系數推薦值。