钢拉杆受力性能试验研究.pdf
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1、文章编号:1000-4750(2023)Suppl-0126-10钢拉杆受力性能试验研究刘涛1,熊家鑫1,2,范重1,赵作周3,孙立领4,张爱林2,张艳霞2,崔喆4,葛红斌5,黄进芳5(1.中国建筑设计研究院,北京100044;2.北京建筑大学土木与交通工程学院,北京100044;3.清华大学土木工程系,北京100084;4.巨力索具股份有限公司,河北,保定072550;5.福建兆翔机场建设公司,福建,厦门361006)摘要:为了考察钢拉杆在不同受力条件下的力学性能,对 10 根 GLG650 钢拉杆试件分别进行单调受拉和低周往复拉压试验,得到钢拉杆的荷载-位移曲线、屈服承载力、最大承载力、极
2、限承载力以及相应的变形和破坏形态。试验及分析结果表明:钢拉杆屈服强化阶段,荷载-位移曲线接近于直线;在往复拉压作用下,长细比较小的钢拉杆荷载-位移曲线出现循环软化现象。受拉屈服后,随着钢拉杆轴向变形加大,反向受压时其侧向挠曲变形随之增大,杆件中部在压弯作用下进入屈服。钢拉杆的断后伸长率约为 3.4%6.8%,远小于钢材试样的破断伸长率。钢拉杆破断多发生在加载端或固定端,受压弯累计塑性损伤的影响,长细比较小时杆件中部破断的情况增多。根据受力特征点确定的钢拉杆荷载-位移滞回规则,可供在往复荷载作用下弹塑性计算分析时应用。关键词:钢拉杆;力学性能试验;往复加载;硬化系数;断后伸长率;滞回规则中图分类
3、号:TU391文献标志码:Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.S030EXPERIMENTALSTUDYONMECHANICALPROPERTIESOFSTEELTIERODSLIUTao1,XIONGJia-xin1,2,FANZhong1,ZHAOZuo-zhou3,SUNLi-ling4,ZHANGAi-lin2,ZHANGYan-xia2,CUIZhe4,GEHong-bin5,HUANGJin-fang5(1.ChinaArchitectureDesign&ResearchInstitute,Beijing100044,China;2.Scho
4、olofCivilandTransportationEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;3.DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;4.JuliSlingCo.,Ltd,Baoding,Hebei072550,China;5.FujianZhaoxiangAirportConstructionCo.,Ltd,Xiamen,Fujian361006,China)Abstra
5、ct:Inordertoinvestigatethemechanicalpropertiesofsteeltierodsunderdifferentloadingconditions,themonotonic tension and low-cycle reciprocating tension and compression experiment was carried out on tenGLG650 steel tie rod specimens.The load-displacement curves,yield bearing capacity,maximum bearingcapa
6、cityandultimatebearingcapacityofthesteeltierodsandcorrespondingdeformationandfailuremodeswereobtained.Theresultsofexperimentandanalysisshowthattheload-displacementcurveofthesteeltierodisclosetoastraightlineintheyieldstrengtheningstage,andtheload-displacementcurvesofthesteeltierodswith收稿日期:2022-05-31
7、;修改日期:2023-02-08基金项目:中国建筑设计研究院有限公司科技创新项目(1100C080220338)通讯作者:范重(1959),男,北京人,教授级高工,博士,主要从事建筑结构设计研究(E-mail:).作者简介:刘涛(1998),男,湖南人,工程师,硕士,主要从事大跨度结构设计研究(E-mail:);熊家鑫(1998),男,江西人,硕士生,主要从事结构工程与钢结构设计研究(E-mail:);赵作周(1967),男,甘肃人,副教授,博士,主要从事结构工程抗震研究(E-mail:);孙立领(1984),男,河北人,工程师,学士,主要从事机械工程研究(E-mail:);张爱林(1961)
8、,男,山东人,教授,博士,主要从事大跨度预应力与高层装配式钢结构研究(E-mail:Z);张艳霞(1967),女,吉林人,教授,博士,主要从事多高层钢结构与大跨钢结构研究(E-mail:Z);崔喆(1967),男,河北人,工程师,学士,主要从事机械工程研究(E-mail:);葛红斌(1969),男,福建人,高工,硕士,主要从事机场工程技术研究(E-mail:);黄进芳(1980),男,福建人,工程师,学士,主要从事建筑结构技术研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS126smaller slen
9、derness exhibit cyclic softening phenomenon under reciprocating tension and compression.Afteryieldingintension,astheaxialdeformationofthesteeltierodincreases,itslateraldeflectionincreaseswiththereverse compression,and the middle part of the rod enters into yield under compression and bending.Theelon
10、gationafterfractureofthesteeltierodsisabout3.4%to6.8%,whichismuchsmallerthantheelongationatbreakageofthesteelsample.Thoughthefracturemostlyoccursattheloadingendorfixedend,thefractureinthemiddle of the bar increases when the slenderness ratio is small,due to plastic damage accumulation undercompressi
11、onandbending.Theload-displacementhysteresisruleofthesteeltieroddeterminedaccordingtothecharacteristicpointscanbeusedforelastic-plasticanalysisunderreciprocatingload.Keywords:steeltierod;mechanicalperformancetest;reciprocatingloading;hardeningcoefficient;elongationafterfracture;hysteresisrule钢拉杆适于采用高
12、强钢材,极大地突破了钢结构设计标准(GB500172017)1中杆件长细比的限值,已经在工程得到广泛应用23。为了避免在施加预应力过程中钢拉杆可能受压失稳,陆赐麟等4研究了钢拉杆制造工艺与挠曲形式,并进行了预应力钢拉杆破坏试验。杨建国等5对我国建筑用高强度钢拉杆的性能、规格、热处理工艺、成品强度检测、表面防护、安装工艺等进行了回顾,介绍其在典型工程中的应用。祁海珅6通过工程用高强度钢拉杆研制过程分析表明,我国在材料选择、热处理工艺、力学性能检测以及技术创新等方面积累了丰富经验。王元清等7对新型高强墩头式钢拉杆的材料性能进行了检测,表明钢拉杆钢材强度可达 1560MPa,具有良好的力学特性。WE
13、I 等8通过足尺模型拉伸破断试验确定螺纹圈数,避免钢拉杆端部连接发生破坏。CHEN 等9对钢拉杆火灾后的力学性能进行研究,表明火灾温度与冷却方式对其机械性能影响显著。在地震等往复荷载作用下,钢材累计损伤时的材料本构与单调加载时的本构关系存在很大差异。尚德广等10在连续疲劳损伤理论的基础上,根据疲劳损伤过程中金属材料韧性变化的特点,建立一种可以考虑疲劳极限、平均应力以及损伤参量与加载参数的非线性疲劳损伤累积模型,能够反映出加载顺序的影响。石永久等11对 Q235B与 Q345B 钢材试件施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、延性特征以及损伤退化特性,结果表明钢材在循环荷载下的性能与在单调荷
14、载下的本构关系有很大差别。王元清等12对20 个 SN490B 钢材试件分别进行单调加载和 16 种加载制度下的循环加载试验,结果表明循环荷载作用下材料出现包辛格效应与循环硬化,滞回曲线稳定饱满,但循环加载导致的材料累积损伤使其延性变差。黄世鸿等13对 Q235 结构钢进行单轴及多轴两级变应变幅和变路径疲劳试验研究,结果表明线性和非线性累积损伤模型对变幅和变路径循环试验寿命的预测结果基本都在 2 倍因子范围区内,金属疲劳寿命离散性较大。唐站站等14对 Q345qC 钢材进行高应变反复加载试验,未发现钢材塑性变形与低周疲劳之间存在明显的相关性,循环软化特征在较大的塑性应变状态下表现得更明显,修正
15、后的双曲面本构关系模型可以较好地模拟钢材循环软化行为。当钢拉杆作为大跨度屋盖的面内支撑构件时,通过施加预应力避免挠曲变形,不受长细比限值的影响,可以充分发挥高强钢材的优点,钢材用量显著降低。此外,钢拉杆可以通过耳板、销轴与主体结构相连,构造简单,施工方便,在大跨度屋盖中发挥了重要作用。在地震作用下,屋盖结构可能发生较大变形。由于钢拉杆的预应力度不宜过高,在设防烈度地震与罕遇地震作用下,大跨度屋盖在往复变形过程中,钢拉杆除受到的拉力可能超过其屈服承载力外,还有可能松弛后受压,继而发生屈曲,对结构抗震性能产生不利影响。迄今,对钢拉杆在拉、压往复作用下力学性能的研究还很少。为了考察钢拉杆在复杂受力条
16、件下的力学性能,在清华大学教育部重点实验室进行了 10 个钢拉杆试件的受力性能试验。针对代表性的 650MPa钢拉杆,分别对直径为 25mm 和 30mm 的试件进行单向受拉和低周往复拉压试验,得到钢拉杆的荷载-变形曲线、屈服承载力、最大承载力、极限承载力以及相应的变形和破坏形态。基于试验结果,确定钢拉杆的变形能力与硬化系数,考察单调受拉和往复拉压作用以及长细比对钢拉杆受力性能的影响。根据受力特征点确定的钢拉杆荷载-工程力学127位移滞回规则,可供在往复荷载作用下弹塑性计算分析时应用。1试件规格1.1钢拉杆尺寸钢拉杆直径为 25mm 和 30mm 两种,钢材牌号为 GLG650,材质为 35C
17、rMo 合金钢材,对杆体进行热处理材(调质),钢拉杆两端均采用旋入式双插耳接头(U 型接头),接头采用锻造工艺,如图 1 所示。钢拉杆试件的规格与数量见表 1。d1234652400注:1U型接头;2护套;3杆体;4销轴;5盖板;6六角螺栓图1钢拉杆试件尺寸示意图/mmFig.1Schematicdiagramofthedimensionsofthesteeltierodspecimens表1钢拉杆试件规格Table1Specificationsofthesteeltierodspecimens直径d/mm长度l/mm长细比材质数量252400384.635CrMo5302400320.435
18、CrMo5注:钢拉杆长度 l 为两个销轴中心之间的间距。1.2钢材材质1.2.1化学成分钢拉杆材质为 35CrMo,其化学成分如表 2 所示。由表 2 可知,直径 25mm 和 30mm 钢拉杆 Cr含量分别为 0.93%和 0.92%。表2钢材化学成分Table2Chemicalcompositionofthesteel拉杆直径d/mmC/(%)Si/(%)Mn/(%)P/(%)S/(%)Cr/(%)Ni/(%)Cu/(%)Mo/(%)Als/(%)Al/(%)250.37 0.22 0.58 0.021 0.007 0.93 0.014 0.013 0.018 0.017 0.019300
19、.38 0.23 0.59 0.010 0.002 0.92 0.035 0.040 0.086 0.017 0.0191.2.2机械性能钢拉杆材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、截面收缩率和冲击韧性如表 3 所示。由表 3可知,直径 25mm 和 30mm 钢拉杆钢材的机械性能差异极小。钢材调质处理时,淬火温度 860,回火温度 520。对杆体部位进行超声波检测(UT),对杆体螺纹部位进行磁粉检测(MT),未发现超标缺陷。表3钢材机械性能Table3Mechanicalpropertiesofthesteel拉杆直径d/mmRp0.2/MPaRm/MPaA/(%)Z/(%)AkU/J258
20、5895620.064.0121.943085895420.065.0121.36注:Rp0.2为 0.2%残余变形相应的屈服强度;Rm为抗拉强度;A 和Z 分别破断伸长率和截面收缩率;AkU为20 的冲击功。1.3加载装置与测点布置1.3.1加载装置钢拉杆试验在清华大学结构工程教育部重点实验室进行。试件两端 U 型接头通过销轴与耳板连接件相连,销轴直径为 43mm,材质为 35CrMo钢。耳板连接件端板通过 12 个 M30 高强螺栓固定于加载装置。试件与两端耳板连接件的总长度为3036mm。在进行试验时,通过作动器水平运动,对试件施加轴向荷载,加载装置如图 2 所示。为防止钢拉杆破断时发生
21、危险,在试件上部设置了2 根保护索。12345678NS3036注:1试件;2耳板连接件;3千斤顶;4作动器;5底梁;6压梁;7破断保护装置;8位移计图2加载装置图/mmFig.2Loadingdevicediagram1.3.2测试仪器与布置在试件两端销轴中心各设置 2 个位移计,在作动器一侧(南侧,简称“加载端”)采用大量程位移计,在反力架固定端(北侧,简称“固定端”)采用小量程位移计。在杆端、杆中沿受力方向均匀布置 3 组应变仪,每组均在杆体截面上、下、左、右各布置一个应变片。位移计及应变片布设情况如图 3 所示。位移计应变片2400dNS2d2d图3测试仪器布置图/mmFig.3Mea
22、suringinstrumentlayout1.3.3加载制度与试件编号1)单向受拉通过千斤顶对试件施加轴向拉力。试件安装128工程力学完毕后,对加载装置与位移计进行校准,以恒定速率对试件进行加载,直至试件颈缩、破断。试件屈服前,通过小步长位移控制 0.1y、0.2y、0.4y、0.6y、0.8y和 1.0y(y为试件的屈服位移)分级加载,每级加载持荷 1min;试件屈服后改为大步长位移控制,按照屈服位移的倍数 2y、3y、4y、5y进行逐级加载,每一级加载持荷 1min。2)往复拉压试件屈服前,通过小步长位移控制 0.1y、0.2y、0.4y、0.6y、0.8y和 1.0y分级加载,每级加载
23、往复 1 次;试件受拉屈服后改为 y或2y大步长位移控制,每级加载往复 3 次。钢拉杆往复拉压试验采用的加载制度如图 4 所示。3)试件编号单向受拉与往复拉压钢拉杆试件的编号如表 4示,共有 10 个试件。2单向受拉试验结果2.1试验结果单向受拉试验结果如表 5 所示。根据无流幅钢材屈服点的定义,屈服点为应力-应变曲线上升段上塑性残余变形不超过 0.2%的应力最大点15,通过对钢拉杆单调受拉荷载-位移曲线或应力-应变曲线弹性阶段进行线性拟合可以得到钢拉杆的屈服承载力。对于单向受拉试件,在颈缩前达到承载力最大值。由表 5 可知,对于长度相同的构件,虽然屈服位移较为接近,但断后伸长率存在较大差异。
24、采用位移控制法对试件进行单调受拉加载。在单向受拉荷载作用下,钢拉杆的荷载-轴向变形曲线如图 5 所示。由图可知,构件的骨架曲线接近于理想双线性,耗能能力较强。钢拉杆为无流幅钢材,没有明显的屈服平台,存在比例极限点、弹性极限点,但是没有尖锐的转折点。钢拉杆屈服后,强化段接近于直线,直径 30mm 钢拉杆的变形能力明显大于直径 25mm 钢拉杆。2.2破坏形态在试件弹性阶段,位移和承载力线性增加;达到屈服点后,承载力增长缓慢。加载到极限承载力时,杆体出现颈缩,承载力急剧下降,伴随一声巨响,颈缩部位发生断裂。在单调受拉时,钢拉杆MON-D30-2 的破断情况如图 6 所示。MON-D25-19y7y
25、5y3y1y1y3y5y7y9y时间t时间t屈服后屈服前位移9y7y5y3y1y1y3y5y7y9y位移(a)加载步长为y屈服后屈服前(b)加载步长为2y图4往复拉压加载制度Fig.4Cyclictensionandcompressionloadingprocedure表4钢拉杆构件编号Table4Steeltierodmembernumber构件编号直径d/mm加载方式MON-D25-1、225单向受拉CYC-D25-1325往复拉压MON-D30-1、230单向受拉CYC-D30-1330往复拉压表5钢拉杆单调受拉试验结果Table5Experimentalresultsofsteelti
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