恒定轴压力下Q690高性能钢管抗弯性能试验研究的学习体会

一、文献概况与工程背景

本文发表于《工业建筑》2014年第44卷第3期，由苏州科技学院土木工程学院陈军等作者完成，受国家电网公司应用科研项目资助。研究针对国家电网输电塔中高强钢焊接中厚板圆管的压弯稳定问题，开展了系统的试验研究。Q690高性能钢板是欧洲EN 10025标准中的高强度结构钢，屈服强度不低于690MPa，抗拉强度不低于770MPa，是欧盟"高性能结构钢"（HPS）系列的最高强度等级。该钢种在欧洲输电塔、桥梁和重型机械领域已有广泛应用，但在中国输电塔工程中的应用尚处于起步阶段，相关力学性能数据相对匮乏。

二、试验方案设计与关键参数

2.1 试件设计

试验共制作了5组15根焊接圆管试件，采用国产Q690高性能钢板，壁厚分别为6mm和8mm。试验参数设计考虑了两个关键几何参数：长细比（λ）取30、45和60三个水平；径厚比（D₀）取31.25、50.00和58.33三个水平。这种正交试验设计能够系统地考察各参数对构件力学性能的影响规律，试验方案科学合理。

2.2 试验方法

试验采用恒定轴压力下的抗弯加载方式，即在试件上先施加并保持一个恒定的轴向压力，然后在此基础上施加弯矩荷载至破坏。这种加载方式能够模拟输电塔在风荷载、覆冰荷载等横向荷载作用下的实际受力状态，即构件同时承受轴向压力和弯矩的组合作用。试验过程中记录了弯矩-轴向变形曲线，并详细观察和记录了各试件的变形现象和破坏模式。

2.3 试验结果分析

试验结果表明，失稳破坏类型主要取决于钢管试件的径厚比和长细比。随着长细比的减小或径厚比的增大，构件破坏类型由整体失稳转化为局部失稳。这一规律与薄壁结构力学理论一致：长细比大时，整体弯曲刚度不足，构件容易发生整体侧向屈曲；径厚比大时，管壁相对较薄，局部屈曲临界应力降低，容易发生局部屈曲。

失稳状态的关键在于径厚比。随着径厚比的减小，破坏状态由弹性转化为弹塑性。当径厚比较大时，管壁较薄，屈曲发生在弹性阶段；当径厚比较小时，管壁较厚，屈曲临界应力较高，构件在屈曲前已进入弹塑性状态。

三、规范公式验证与工程适用性

所有规范设计公式均偏于保守，验证了相关规范压弯设计公式和稳定系数取值用于指导工程设计的可行性和合理性。这一结论具有重要的工程意义，表明现有的规范体系可以用于Q690高性能钢管的设计，但存在一定的材料利用率损失。

3.1 局部稳定与整体稳定的协调

试验揭示的局部失稳与整体失稳的转化规律，对工程设计具有重要指导意义。在实际输电塔设计中，构件的径厚比和长细比需要根据荷载条件和构造要求进行合理选择。当构件承受较大弯矩时，应优先避免局部失稳，可适当增大壁厚以减小径厚比；当构件承受较大轴力时，应优先避免整体失稳，可适当减小长细比或增大截面惯性矩。

3.2 焊接质量对性能的影响

本试验采用的是焊接圆管，焊接质量对构件力学性能的影响不容忽视。Q690高强钢焊接时，由于材料强度高、淬硬倾向大，焊接热影响区容易产生淬硬组织和冷裂纹。建议采用以下焊接工艺措施：预热温度不低于150℃，层间温度控制在200~250℃；采用低氢型焊材（如E71T-8或E70T-1）；焊后缓冷或进行焊后热处理。焊接接头应进行100%超声波探伤，合格等级不低于GB/T 11345中的B级。

四、学习心得与工程启示

本文的试验研究为Q690高性能钢管在输电塔工程中的应用提供了宝贵的试验数据，其揭示的径厚比和长细比对失稳模式的控制规律，为工程设计提供了明确的参数选择依据。从工程实践角度看，高强钢的应用虽然可以显著减轻结构自重、提高承载力，但也带来了焊接工艺性变差、脆断风险增加等新问题。Q690钢的碳当量（CE）约为0.45%~0.50%，按照国际焊接学会（IIW）公式计算，已属于中等淬硬倾向范围，焊接时必须采取严格的工艺措施。

此外，本文的试验结果表明现有规范公式偏于保守，这意味着在实际工程中可能存在材料利用率不足的问题。随着高强钢应用经验的积累和更多试验数据的积累，未来规范修订时有可能对高强钢构件的稳定系数进行适当调整，以提高材料利用率。但在规范修订之前，工程师应严格按照现行规范进行设计，确保安全。