镀锌对Q460高强钢管轴压承载力影响的试验研究.docx

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镀锌对Q460高强钢管轴压承载力影响的试验研究

镀锌对Q460高强钢管轴压承载力影响的试验研究

摘要：

随着输电线路电压等级的不断提高，杆塔结构荷载越来越大，高强钢以其强度高等特点在特高压输电钢管塔中得到了较为广泛的应用。

然而，目前国内对Q460高强钢管承载力特性的相关研究较为匮乏，更没有涉及到镀锌Q460高强钢管。

针对12组不镀锌Q460高强钢管及6组镀锌Q460高强钢管试件开展轴压试验，研究Q460高强钢管的承载力及变形特性，分析镀锌对高强钢承载力特性的影响规律。

结果表明：

Q460高强钢管的承载力比我国相关标准中对应设计值高20%以上；镀锌对钢管的稳定承载力有明显的提高作用。

关键词：

Q460高强钢；镀锌；稳定承载力；轴压试验

ABSTRACT：

Withtheincreaseofthetransmissionlinevoltagelevel,theloadofthetowerstructureisgettingbiggerandbigger.HighstrengthsteelhasbeenwidelyusedintheUHVtransmissionsteeltower.However,thecurrentdomesticresearchesonthebearingcapacitycharacteristicsofQ460highstrengthsteeltubearescarceandnotrelatedtogalvanizedQ460highstrengthsteeltube.Theaxialcompressionexperimentresearchon12differentnon-galvanizedQ460steeltubesand6differentgalvanizedQ460steelwasconducted.ThepurposeoftheexperimentwastostudythebearingcapacityanddeformationcharacteristicsofQ460highstrengthsteeltube.Theinfluenceonthebearingcapacityofgalvanizedhighstrengthsteelwasanalyzed.TheresultsshowedthatQ460steeltubeshad20%higherstrengththancorrespondingdesignallowablevaluesindomesticcodes;galvanizingcouldobviouslyincreasethestablebearingcapacityoftheQ460steeltubes.

KEYWORDS：

Q460steeltube;galvanization;stablebearingcapacity;experimentofaxialcompression

目前，我国建筑结构及土木工程用钢主要为Q235、Q345、Q390、Q420四种钢材，Q420钢是GB50017—2017《钢结构设计标准》中新增加的品种，这四种钢材也是当前我国建筑行业主要使用的钢种，相比美国、日本等国家，我国的结构用钢的强度明显偏低。

因此，高强度钢材在我国目前应用较少，仅在少数公共建筑和塔架工程中应用，如2008奥运会体育馆——鸟巢部分采用了武钢生产的Q460钢，2005年投运的750kV官厅—兰州东段输电线路工程采用了Q420钢[1-2]。

对于输电行业而言，随着输电线路输送容量及电压等级不断提高，杆塔荷载和塔重不断增加，相对于角钢塔而言，钢管塔的优势逐渐显现出来，同时传统钢材的承载能力趋于不足，而高强钢以其强度高等特点在特高压输电钢管塔中得到了较为广泛的应用[3-5]。

但国内尚无Q460镀锌高强钢管特高压输电塔的应用先例，因此，开展不镀锌Q460高强钢管及镀锌Q460高强钢管试件的轴压试验，基于试验及相关技术标准[6-10]，研究Q460高强钢管的承载力及变形特性，分析镀锌对高强钢承载力特性的影响规律。

1试验概况

1.1试样设计

根据输电杆塔结构的相关设计技术标准，杆塔结构主材的长细比一般不大于150，同时为了提高经济性，小管径选用较大的长细比，大管径选用较小长细比；并结合实际输电线路工程的设计经验和应用情况，选取了30，40，50，60，70五种长细比。

此外，在钢管试验构件的规格选取上，以配合锻造带颈法兰规格以及GB50017—2017规定的圆钢管的外径与厚度之比不超过100

（fy为钢材的屈服强度）为原则，选择了以下几种钢管规格进行试验研究。

由于输电塔的应用环境处于户外，目前对于钢管防止锈蚀的主要方式是钢管的热镀锌处理。

通过选择几种规格的钢管进行镀锌处理，对比镀锌以及不镀锌钢管的承载力，具体的Q460高强钢管规格见表1。

表1构件参数

编号规格长细比长度/m镀锌与否1ϕ168×6704.0否234ϕ219×6705.21否705.21是604.47否567ϕ273×6605.57否605.57是504.64否8ϕ325×8505.53否9101112ϕ356×8506.05否506.05是404.84否404.84是131415ϕ377×10405.13否405.13是317.85否16ϕ406×12304.14否1718ϕ426×12304.35否304.35是

1.2试验方法

试验为轴压试验，边界条件为两端铰接，由于试验规格较大，采用刀铰和双向铰承载力不能很好满足试验要求，所以，采用柱面单向铰（国内外已有研究应用）；根据构件的尺寸，试验中采用水平搁置加载的方式，约束构件的竖直方向，保证构件的失稳发生在水平方向，试验加载方案如图1所示。

图1铰接加载示意

加载设备采用液压千斤顶进行单调加载，液压千斤顶的试验能力为1000kN，构件两端设置单向铰后，一端连接千斤顶，另一端连接反力墙，通过反作用力对构件施加轴压力，千斤顶以每级100kN进行加载，直到构件失稳破坏。

构件的应变采用应变片测试，位移用量程为200mm的位移计测量，应变以及位移测点如图2所示，采集设备是与计算机相连的DH3816静态应变测试系统，每一级荷载采集一次数据。

图2应变及位移测点

为了使荷载和应变的变化稳定，在正式加载前进行预加载，预加荷载取理论承载力计算结果的10%，试验采用单调加载方式进行，每级荷载为100kN，直到构件失稳破坏。

2试验结果

2.1材性试验

考察材料的力学性能需从两方面进行：

一方面是材料的抗拉性能，抗拉性能试验是在试件的两端施加轴向的拉力，使得试件达到屈服颈缩，最后拉断破坏，测量材料的屈服荷载和极限荷载；另一方面是材料的冷弯性能，冷弯性能是让钢材在常温下加载发生塑性变形时构件抵抗产生裂纹的能力，检验材料的冷弯性能是通过冷弯试验检验，如果试件弯曲180°，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格，试验结果见表2。

通过材性试验后发现:

镀锌和不镀锌的钢材试件的抗拉屈服承载力和极限承载力基本相同，但是锌锌之后钢材的延性降低。

2.2破坏形态及特征描述

试验中对Q460高强钢管构件逐级的施加轴压荷载，每级荷载加载结束，记录各典型位置的应变和位移。

各种条件下得到高强钢管构件破坏形态大致相同，因此这里取φ356×8，长细比为50的构件进行介绍，试验现象为构件靠近中部先发生局部屈曲，再随着轴向压力的增加，局部截面褶皱，引起整个构件的失稳破坏，破坏形态如图3所示。

表2Q460钢板材料性试验结果

编号尺寸公称厚度/mm实测厚度/mm宽度/mm面积S0/mm2延伸率试验拉力/kN试验强度/MPa屈服力最大拉力屈服强度抗拉强度备注1265.831.5183.30.24108.8120.8593.6658.8未镀锌5.831.5183.30.22109.9120.1599.2655.0镀锌3488.172.0254.40.23151.5584.7未镀锌8.172.0254.40.19140.0150.4540.0580.4镀锌56109.731.8308.50.21193.4627.0未镀锌9.731.8308.50.19157.2509.5镀锌781211.832.6384.70.28201.4224.2502.3559.0未镀锌11.832.6384.70.19206.0228.1513.7568.7镀锌

注：

表中所缺数据表示试验没有明显的该试验值。

a—整体失稳；b—局部屈曲。

图3破坏形态

根据测试结果，得到荷载-应变曲线及荷载-位移曲线见图4—图6，从中可以发现：

构件在达到屈服承载力之前，随着轴压荷载的增大，应力发展呈线性，位移变化很小；当轴压荷载临近或超过屈服承载力时，高强钢管的侧向变形明显增大，说明构件出现了局部屈曲，而随着轴压荷载的继续增大，位移剧烈增长，出现褶皱，最终发生失稳破坏。

需要指出的是：

在不同构件的试验过程中，出现了两种破坏形态。

一种为大部分构件的破坏形态，即侧向变形随着荷载的增大逐步增大，最终达到屈服失稳的极值点失稳；另一种则为小部分构件的破坏，构件出现屈曲前，侧向变形很小，临近或者达到极限承载力时突然失稳破坏的分支点失稳形式，这与理论中的两种压杆的破坏模式一致。

说明Q460高强钢管的失稳破坏的性能和其他钢材钢管相似，同时试验中没有出现脆性破坏的情况，说明Q460高强钢管的延性较好。

图4荷载-侧向位移关系

图5荷载-轴向位移关系

图6荷载-应变关系

2.3承载力的对比

2.3.1理论值与试验值

分析试验数据，得到构件的屈服值，同时根据GB50017—2017轴心受压公式计算构件的理论值，构件按b类截面计算，结果如表3所示。

对比这两组数据发现：

Q460高强钢管的屈服承载力试验值比按GB50017—2017计算得到的承载力要高20%以上,表明Q460高强钢材可以应用在输电钢管塔中，同时也说明了GB50017—2017虽然偏于保守，但考虑到加工质量等问题来说，GB50017—2017可以很好地用于指导设计。

表3不镀锌钢管承载力

钢管规格长细比长度/m试验值/kN设计值/kNϕ168×67041200719.44ϕ219×6705.211500945.6ϕ219×6604.4715501100.8ϕ273×6605.5719001379.9ϕ273×6504.6420001567.8ϕ325×8505.5335002481.8ϕ356×8506.0542002724.5ϕ356×8404.8444017017.8ϕ377×10405.1351017960ϕ377×11717.8553004261.1ϕ406×12304.1463005489.5ϕ426×12304.3574005768.2

2.3.2镀锌与不镀锌

GB50017—2017中虽然没有考虑镀锌工艺对钢结构承载力的影响，仅把其当成一种防腐蚀的手段，但试验证明镀锌工艺对高强钢管的承载力有明显的提高作用（表4），究其原因在于热镀锌对冷弯成型的竖缝钢管相当于热处理，消除了部分残余应力，使轴压钢管更加均一；另外，钢管进行内外热镀锌过程中，可能存在渗锌现象，能够弥补钢材的局部初始缺陷，从而使承载力提高。

因此作者认为GB50017—2017偏于保守，不适用于镀锌Q460高强钢管的计算。

建议在以后的设计过程中应逐步考虑镀锌工艺对承载力的提高作用。

表4镀锌钢管承载力

钢管规格长细比长度/m承载力/kN镀锌不镀锌设计值/kNϕ219×6705.2117501500945.6ϕ273×6605.57230019001379.9ϕ356×8506.05450042002724.5ϕ356×8404.84470044017017.8ϕ377×10405.13600051017960.0ϕ426×12304.35740074005768.2

3结论

通过镀锌及不镀锌Q460高强钢管的轴压试验对比，得到以下结论：

1）镀锌Q460高强钢管轴压试验产生了分支点失稳和极值点失稳两种不同的破坏模式，与不镀锌高强钢管的破坏模式基本一致。

2）试验得到的镀锌高强钢管比不镀锌高强钢管的轴压承载力有明显提高，而试验所得不镀锌钢管的轴压承载力比GB50017—2017计算的理论值高出20%，认为GB50017—2017偏于保守，不适用于镀锌Q460高强钢管的计算，建议对GB50017—2017进行补充修订。

3）热镀锌对冷弯成型的竖缝钢管相当于热处理，消除了部分残余应力，使轴压钢管受力更加均匀；钢管进行内外热镀锌过程中，可能存在渗锌现象，弥补了钢材的局部初始缺陷，从而镀锌明显提高了其承载力。

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