大规格高强度角钢压杆超强承载力特征及机理研究

Large-section and high-strength angle steels(big angle steels), are construction members with limb width larger than or equal to 200mm, limb thickness larger than or equal to 20mm, and strength higher than or equal to Q420. It is shown that the big angle steels have a bearing capacity much higher than the bearing capacity which is calculated according to Code for acceptance of construction quality of steel structures（overload capacity）. The true bearing capacity exceeds the calculated one by 10%-30%. This means our Code is conservative when designing big angle steels. The hardening range of large angle steels comes quite early beacause the yield point elongation of Q420 steels is very short. And the warping stiffness is not so little as common angle steels. All these may result in the overload capacity of the big angle steels. But how they work needs more intense research.Based on our former research, axle pressure tests will be actived to a series of big angle steels of different material, different section sizes and different slenderness ratios, and the curve of bearing capacity of these big angle steels will be worked out. With the help of finite-element analysis and theoretical analysis, study of the mechanism how big angle steels have the overload capacity will be carried on. At last, a practical calculation formula for the big angle steel will be put forward, so as to make the design of big steels economical and logical. The stability theory of compressive members will be riched.

大规格高强度角钢压杆（大角钢），指肢宽不小于200mm、肢厚不小于20mm，材质为Q420及以上的角钢压杆。多所单位的研究表明，大角钢的轴压承载力远超过按现行规范方法算得的承载力，其超出幅度（超强）达10%-30%。这就意味着，对于大角钢压杆计算，我国的现行规范过于保守。大角钢高强材质很短的屈服平台带来的快速自强特性、以及大规格截面的翘曲刚度的存在，均可能使大角钢具有超强性能。然而大角钢的超强机理究竟如何，尚需进行深入研究。本项目在课题组前期工作的基础上，对更多强度等级、截面规格、长细比的大角钢压杆进行系统性的轴压试验，得到大角钢压杆的稳定承载力及特征；采取理论分析、数值分析以及试验分析相结合的方法，重点研究大角钢压杆所表现出的超强性能的内在机理；通过揭示超强机理，为大角钢超强特性的工程应用提供充分的理论依据。项目研究成果可补充和丰富现有的压杆稳定理论。

大规格高强度角钢（以下简称大角钢）构件，指材质强度等级不低于Q420、肢宽不小于220mm、肢厚不小于16mm的角钢构件。采用大角钢作为输电铁塔等结构中的主要受压构件，相比于采用多拼组合角钢，具有整体性好、加工简便等优点。现有研究表明，大角钢具有超强承载力特征。然而，对此类压杆的超强机理研究鲜见报道。课题组在前期工作的基础上，从更多强度等级、截面规格、长细比的大角钢压杆出发，对其超强承载力特征和机理，进行了针对性的理论分析、系统性的轴压试验以及综合性的有限元分析。首先，通过对试验条件下轴压杆计算长度的研究，提出了两端弹簧铰约束下，压杆计算长度系数μ值的实用计算公式。从而可实测支座刚度并计入其影响，来修正试件的计算长度，克服了以往研究中未计入支座刚度影响而带来的误差，得到更为精确的稳定承载力。然后，轴压试验数据表明，大角钢的失稳形态主要以弯曲失稳为主，局部稳定性较好，试验结果显示目前国内外的现行规范均低估了该类构件的稳定承载力。其次，进行有限元分析，结果表明大角钢的超强承载力有2个重要来源：一是其材料特性中存在明显的强化阶段，采用考虑强化阶段的多线性本构关系，能更精确的反应大角钢轴压构件的力学性能；二是其截面较大的壁厚，导致截面翘曲应力沿厚度方向发生改变，从而使角钢截面具备不可忽略的次翘曲扇形惯矩Iωn。最后，基于试验和有限元分析结果，获得了适用于大角钢轴压构件的柱子曲线，并给出了该曲线的解析式，作为大角钢稳定承载力的推荐计算公式。该推荐公式能充分发挥大角钢轴压构件优异的承载性能，可有效降低钢材用量，具有良好的经济性。项目研究成果揭示了大角钢超强承载机理，为大角钢压杆超强承载力的工程应用提供充分的理论依据，同时也补充并丰富现有的压杆稳定理论。