CN108627400A - 一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，涉及供电试验装置领域，包括两间隔设置的固定结构；分别铰接于一固定结构上的第一支撑主材和第二支撑主材；拉压力测量组件，其包括高度可调且固定设置并用于测量水平千斤顶压力或拉力的压力传感器；固定设置的水平液压千斤顶；电子位移计，用于测量第一支撑主材和第二支撑主材远离所述固定结构一端的位移。本发明的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置可考虑另一杆的扭转刚度对目标压杆的约束作用，提供了较现有试验装置能更合理的检测角钢构件的弯扭失稳的载荷数据及获得更准确的稳定承载力计算值的装置平台。

Description

一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置及方法
技术领域
本发明涉及供电试验装置领域，具体涉及一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置及方法。
背景技术
采空区塌陷一直是影响电力线路安全运行的重大隐患，采空区地质灾害造成输电线路杆塔倾斜、基础下沉，被迫停运、改线的事件时有发生，有些线路诱发地线断线、导地线风偏故障，有些线路甚至被迫停电、移塔、改线。角钢交叉斜材稳定承载力的科学计算是输电铁塔结构设计的重要内容，也是采动区输电铁塔破坏机理与变形控制技术研究的前提条件。
目前，关于输电铁塔角钢交叉斜材稳定承载力的计算，已经进行了一些研究。国内外学者目前主要通过强度折减法和换算长细比法等进行角钢交叉斜材稳定承载力的计算。
在相关计算过程中，均认为当另一杆的拉力与压杆压力的比值大于0.20以上时，拉杆对压杆提供充分的约束，并将交叉点作为平面外的支点使用；其他情况下则不考虑中间交叉点的约束。
我国现行的《钢结构设计规范》详细考虑了拉压斜材中拉力和压力比值对计算长度的影响，认为两杆均受压的交叉斜材不应考虑另一压杆的约束作用，而主要从两个方面进行考虑：对单角钢稳定承载力计算构件的强度进行折减；考虑交叉斜材两个杆件受力比值确定压杆的计算长度，然后进行计算。而《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T5154-2002)则不考虑两杆实际轴力的比值，而是根据杆件端部的约束情况和交叉斜材的具体类型，对其长细比进行调整，然后进行轴心受压构件的稳定承载力计算。
陈绍蕃和朱永庆对于交叉斜材的计算方法进行了研究，两者均考虑了两杆失稳的侧移相关性。陈绍蕃将交叉斜材的压杆视为端部偏心受压构件，推导了压杆和拉杆的侧移刚度方程，利用交叉点处的综合侧向刚度为0的条件，推导了中点相交和非中点相交的交叉斜材的稳定承载力。而朱永庆则将拉杆作为压杆的弹性支座，建立了轴心受压角钢的稳定挠曲微分方程，并对其长细比和计算长度的取值进行了研究。此外，陈骥和童根树等均对交叉斜材的平面外的稳定承载力计算进行了研究，但二者仅考虑了两杆在中点交叉的特例，并未给出一般性结论。
目前存在的上述方法只考虑了拉杆(或者另一受力较小的压杆)对压杆在平面外的线弹性约束(约束线位移)，并未考虑该杆件对交叉点的扭转约束。上述测试方法的前置假设与实际情况存在差距，现有角钢交叉斜材稳定承载力试验装置也无法测试研究杆件对交叉点的扭转约束。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置及方法，能更合理检测角钢构件的弯扭失稳的载荷数据及获得更准确的稳定承载力计算值。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，包括：
两间隔设置的固定结构；支撑主材1，其包括第一支撑主材11和第二支撑主材12，所述第一支撑主材11和第二支撑主材12分别铰接于一固定结构上，且所述第一支撑主材11上设有至少两个第一固定孔位13，所述第二支撑主材12上设有至少两个与第一固定孔位13相对应的第二固定孔位14；拉压力测量组件，其包括和第一支撑主材11相连的水平千斤顶2和压力传感器5，所述压力传感器5高度可调且固定设置并用于测量水平千斤顶2对压力传感器5的压力或拉力；固定设置的水平液压千斤顶3，其与第二支撑主材12相连；电子位移计4，用于测量第一支撑主材11和第二支撑主材12远离所述固定结构一端的位移。
在上述技术方案的基础上，所述固定结构为固设于水平地面的固定铰支座6。
在上述技术方案的基础上，还包括立柱10，其上设有一排竖直设置的第三固定孔位15，所述立柱10通过光圆螺栓固设于水平地面上；
在上述技术方案的基础上，还包括电控装置，所述电控装置包括PLC、载荷控制回路、载荷反馈回路和数据分析输出回路，所述PLC分别与所述电子位移计4、压力传感器5信号连接。
在上述技术方案的基础上，还包括水平拉杆7，所述水平拉杆7通过穿设于所述第一固定孔位13和第二固定孔位14的栓固构件水平固定于所述第一支撑主材11和第二支撑主材12之间，所述水平拉杆7两端与所述角钢交叉斜材9端点固定于相同的固定孔位内。
在上述技术方案的基础上，还包括应变片8，所述应变片8设于所述角钢交叉斜材9组成角钢端部的肢尖和肢背上，用于监测角钢的实际受力和应变变化。
在上述技术方案的基础上，还包括固设于水平地面的反力墙16，所述水平液压千斤顶3一端固设于所述反力墙16上；以及所述水平液压千斤顶3包括底座和顶升结构，所述底座固设于所述反力墙16上，所述顶升结构一端收容于所述底座内，另一端固定于所述第二支撑主材12的第二固定孔位14内，所述顶升结构可沿所述底座轴线方向相对所述底座往复运动，所述水平液压千斤顶3包括压力传感器5。
本发明还提供一种基于如上所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法，包括以下步骤：
S1、将角钢交叉斜材固定于所述第一支撑主材和第二支撑主材之间；
S2、控制所述水平千斤顶向所述角钢交叉斜材加载压力，控制所述水平液压千斤顶向所述角钢交叉斜材加载压力或拉力；
S3、均匀加大水平千斤顶和水平液压千斤顶加载的压力或拉力，通过电子位移计测量角钢交叉斜材端点的水平位移数据、角钢交叉斜材中点的横向位移和角钢交叉斜材交叉点的平面外水平位移数据；
S4、当压力传感器所测读数无法保持稳定且呈下降趋势时，终止试验。
在上述技术方案的基础上，在步骤S1中，控制所述水平千斤顶与所述水平液压千斤顶处于同一高度。
在上述技术方案的基础上，在步骤S4后，绘制角钢交叉斜材的中点位移或由端点水平位移换算而来的端点轴向位移与其轴向荷载的相关曲线。
在上述技术方案的基础上，还包括使用ANSYS软件对角钢交叉斜材中点平面外位移与角钢交叉斜材轴力的相关曲线进行有限元分析。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置可考虑另一杆的扭转刚度对目标压杆的约束作用，提供了较现有试验装置能更合理的检测角钢构件的弯扭失稳的载荷数据及获得更准确的稳定承载力计算值的装置平台。
(2)本发明的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置可合理考虑初始缺陷，并设置理想的端部约束，可以较好的得到各种角钢构件的稳定承载力，可作为系统分析交叉斜材整体承载力的有效工具。
(3)本发明的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法可从理论上分析扭转耦联作用对目标压杆稳定承载力的影响，为建立更精密的交叉斜材稳定承载力的计算模型提供数据基础。
附图说明
图1为本发明实施例中角钢交叉斜材稳定承载力试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中角钢交叉斜材稳定承载力试验装置测试L50×4角钢交叉试件的中点横向位移与角钢轴力的相关曲线图；
图3为本发明实施例中角钢交叉斜材稳定承载力试验装置测试L50×4角钢交叉试件的交叉点平面外位移与角钢轴力的相关曲线图；
图4为本发明实施例中角钢交叉斜材稳定承载力试验装置测试L70×5角钢交叉试件的中点横向位移与角钢轴力的相关曲线图；
图5为本发明实施例中角钢交叉斜材稳定承载力试验装置应变片布置方式。
图中：1-支撑主材，2-水平千斤顶，3-水平液压千斤顶，4-电子位移计，5-压力传感器，6-固定铰支座，7-水平拉杆，8-应变片，9-角钢交叉斜材，10-立柱，11-第一支撑主材，12-第二支撑主材，13-第一固定孔位，14-第二固定孔位，15-第三固定孔位，16-反力墙。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，包括：
两间隔设置的固定结构；支撑主材1，其包括第一支撑主材11和第二支撑主材12，第一支撑主材11和第二支撑主材12分别铰接于一固定结构上，且第一支撑主材11上设有至少两个第一固定孔位13，第二支撑主材12上设有至少两个与第一固定孔位13相对应的第二固定孔位14；拉压力测量组件，其包括和第一支撑主材11相连的水平千斤顶2和压力传感器5，压力传感器5高度可调且固定设置并用于测量水平千斤顶2对压力传感器5的压力或拉力；固定设置的水平液压千斤顶3，其与第二支撑主材12相连；固设于水平地面的反力墙16，水平液压千斤顶3一端固设于反力墙16上。在本实施例中，水平液压千斤顶3包括底座和顶升结构，底座固设于反力墙16上，顶升结构一端收容于底座内，另一端固定于第二支撑主材12的第二固定孔位14内，顶升结构可沿底座轴线方向相对底座往复运动，水平液压千斤顶3上设置有压力传感器5；电子位移计4，用于测量第一支撑主材11和第二支撑主材12远离所述固定结构一端的位移。
在第一支撑主材11还可设置一立柱10，其上设有一排竖直设置的第三固定孔位15，立柱10通过光圆螺栓固设于水平地面上；水平千斤顶2的另一端可通过第三固定孔位15高端可调的设置于立柱10上，以便进行不同结构角钢交叉斜材稳定承载力试验时的调整和切换；进一步的，可将第三固定孔位15设置为与第一固定孔位13的水平高度分别一致且相对应，便于保持试验时水平千斤顶2对压力传感器5方向稳定在水平方向。
在一个实施例中，固定结构设置为固设于水平地面的固定铰支座6，其分别与第一支撑主材11和第二支撑主材12一端铰接，保障第一支撑主材11和第二支撑主材12在相对地面位置不变的前提下，充分释放其弯扭失稳时的载荷数据。
在一个实施例中，还可设置水平拉杆7，水平拉杆7通过穿设于第一固定孔位13和第二固定孔位14的栓固构件水平固定于所述第一支撑主材11和第二支撑主材12之间；进一步的，可将水平拉杆7两端与角钢交叉斜材9端点固定于相同的固定孔位内，形成与实际输电铁塔结构近似的三角交联固定结构，以使测量结果更趋近与实际使用状态。
如图5所示，为实时监测角钢交叉斜材9的实际受力情况，还可在角钢交叉斜材9的组成角钢端部的肢尖和肢背上，设置用于监测角钢的实际受力和应变变化的应变片8。
角钢交叉斜材稳定承载力试验装置还包括可对试验信号进行控制、反馈分析的相关组件，在一个实施例中，相关组件可设置为电控装置，电控装置包括PLC、载荷控制回路、载荷反馈回路和数据分析输出回路，PLC分别与电子位移计4、压力传感器5、应变片8信号连接。实际运转中，通过调整角钢交叉斜材的固定位置，能够构建各种角度交叉，各种不同大小和规格的斜材进行实验检测。通过水平液压千斤顶3能够对斜材施加压和拉应力，其荷载值由内置压力传感器5自动获取。通过水平千斤顶2能够对角钢交叉斜材9施加压应力，其荷载值由角钢交叉斜材9上的应变片8自动获取。
本发明还提供一种使用上述角钢交叉斜材稳定承载力试验装置的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法，包括以下步骤：
S1、将角钢交叉斜材9固定于所述第一支撑主材11和第二支撑主材12之间；此步骤中，可控制所述水平千斤顶与所述水平液压千斤顶处于同一高度，进一步去除水平拉力对角钢交叉斜材的影响，更加精确的研究。
S2、控制水平千斤顶2向角钢交叉斜材9加载压力，控制所述水平液压千斤顶3向所述角钢交叉斜材9加载压力或拉力；
S3、均匀加大水平千斤顶2和水平液压千斤顶3加载的压力或拉力，通过电子位移计4测量角钢交叉斜材9端点的水平位移数据、角钢交叉斜材9中点的横向位移和角钢交叉斜材9交叉点的平面外水平位移数据；
S4、当压力传感器5所测读数无法保持稳定且呈下降趋势时，终止试验。在步骤S4后，可通过电控装置获得的角钢交叉斜材的中点位移或由端点水平位移换算而来的端点轴向位移，绘制上述位移数据与其轴向荷载的相关曲线，进而进行有限元分析实施更加精确的角钢构件载荷推导步骤。
试验时，主要测量角钢构件承受的轴向荷载、构件端点的水平位移、支撑主材相应位置的水平位移以及构件中点的横向位移等数据。其中，试件的轴向荷载通过在角钢两肢表面粘贴的应变片测得，相应的位移通过在相应位置设置电子位移计测得。当测得压力传感器读数无法保持稳定且呈下降趋势时，试验终止，试验结束后绘制构件的中点位移(或由端点水平位移换算而来的端点轴向位移)与其轴向荷载的相关曲线进行具体分析，其中的轴力最大值即为试件的稳定承载力。
在本实施例中，分别考虑交叉斜材一拉一压和同时受压两种受力情况，两杆轴力的绝对值比值又分为1:1、1:0.5和1:0等各3种情况。此外，还进行了3种截面的单角钢受压稳定承载力试验，以作为对比。每3个试件为1组，共完成18组合计54个试验。为了便于组装，试件均采用相同长度。各试件两端端部的螺孔中心间距均为2 950mm，螺孔直径22mm。各角钢端部采用直径20mm的高强螺栓进行约束。一拉一压斜材和两杆同时受压斜材的试件设置情况分别见表1和表2所示。
表1一拉一压斜材试件实验设置情况
注：表中T表示另一杆的拉力，N表示目标压杆的压力，T/N表示两杆轴力绝对值的比值，下同。
表2两杆同时受压斜材试件实验设置情况
注：表中N表示目标压杆的压力，C表示另一杆的压力，C/N表示两者轴力绝对值的比值，下同。
在试验过程中，通过在支架顶部和底部设置的位移计进行监测，未发现支架有明显侧向位移。这表明，本次制作的试验装置性能稳定，约束施加合理，能适用于角钢构件稳定承载力的试验研究。
随着压杆荷载增加，可观察到压杆构件轴向应变逐步增大，且交叉点产生出平面的位移也随之增大。当荷载增大到一定程度后，压杆到达承载力极限，随后轴向应变减小，由千斤顶荷载传感器得到的最大荷载即为杆件的稳定承载力。由于应变片读数主要用于实验过程中加载控制，这里主要讨论对象交叉点出平面位移与杆件轴力，由千斤顶荷载读数等效转换得到。
图2～图4分别是试验过程中3种截面角钢(L50×4，L56×5和L70×5)的中点出平面位移与角钢轴力的相关曲线，同时列出了采用ANSYS软件完成的有限元分析值。在进行ANSYS分析时，对杆件施加了1/1000的初始挠曲变形，同时考虑了残余应力的影响。
由图2～图4可见，每组角钢构件的试验曲线规律相近，且同组构件的最终屈服荷载比较稳定。在考虑初始挠曲和温度残余应力后，采用ANSYS有限元分析，可以对角钢压杆的屈曲变形进行理想的模拟分析，其受力变形过程和最终的失稳荷载与试验数据均比较接近。这说明，在合理考虑初始缺陷，并设置理想的端部约束的前提下，采用有限元分析的方法，可以较好的得到各种角钢构件的稳定承载力，可作为系统分析交叉斜材整体承载力的有效工具。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于，包括：
两间隔设置的固定结构；
支撑主材(1)，其包括第一支撑主材(11)和第二支撑主材(12)，所述第一支撑主材(11)和第二支撑主材(12)分别铰接于一固定结构上，且所述第一支撑主材(11)上设有至少两个第一固定孔位(13)，所述第二支撑主材(12)上设有至少两个与第一固定孔位(13)相对应的第二固定孔位(14)；
拉压力测量组件，其包括和第一支撑主材(11)相连的水平千斤顶(2)和压力传感器(5)，所述压力传感器(5)高度可调且固定设置并用于测量水平千斤顶(2)对压力传感器(5)的压力或拉力；
固定设置的水平液压千斤顶(3)，其与第二支撑主材(12)相连；
电子位移计(4)，用于测量第一支撑主材(11)和第二支撑主材(12)远离所述固定结构一端的位移。
2.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：所述固定结构为固设于水平地面的固定铰支座(6)。
3.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：还包括立柱(10)，其上设有一排竖直设置的第三固定孔位(15)，所述立柱(10)通过光圆螺栓固设于水平地面上。
4.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：还包括电控装置，所述电控装置包括PLC、载荷控制回路、载荷反馈回路和数据分析输出回路，所述PLC分别与所述电子位移计(4)、压力传感器(5)信号连接。
5.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：还包括水平拉杆(7)，所述水平拉杆(7)通过穿设于所述第一固定孔位(13)和第二固定孔位(14)的栓固构件水平固定于所述第一支撑主材(11)和第二支撑主材(12)之间，所述水平拉杆(7)两端与所述角钢交叉斜材(9)端点固定于相同的固定孔位内。
6.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：还包括应变片(8)，所述应变片(8)设于所述角钢交叉斜材(9)组成角钢端部的肢尖和肢背上，用于监测角钢的实际受力和应变变化。
7.如权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置，其特征在于：还包括固设于水平地面的反力墙(16)，所述水平液压千斤顶(3)一端固设于所述反力墙(16)上；以及
所述水平液压千斤顶(3)包括底座和顶升结构，所述底座固设于所述反力墙(16)上，所述顶升结构一端收容于所述底座内，另一端固定于所述第二支撑主材(12)的第二固定孔位(14)内，所述顶升结构可沿所述底座轴线方向相对所述底座往复运动，所述水平液压千斤顶(3)包括压力传感器(5)。
8.一种基于权利要求1所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验装置的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将角钢交叉斜材固定于所述第一支撑主材和第二支撑主材之间；
S2、控制所述水平千斤顶向所述角钢交叉斜材加载压力，控制所述水平液压千斤顶向所述角钢交叉斜材加载压力或拉力；
S3、均匀加大水平千斤顶和水平液压千斤顶加载的压力或拉力，通过电子位移计测量角钢交叉斜材端点的水平位移数据、角钢交叉斜材中点的横向位移和角钢交叉斜材交叉点的平面外水平位移数据；
S4、当压力传感器所测读数无法保持稳定且呈下降趋势时，终止试验。
9.如权利要求8所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法，其特征在于：在步骤S1中，控制所述水平千斤顶与所述水平液压千斤顶处于同一高度。
10.如权利要求8所述的角钢交叉斜材稳定承载力试验方法，其特征在于：在步骤S4后，绘制角钢交叉斜材的中点位移或由端点水平位移换算而来的端点轴向位移与其轴向荷载的相关曲线，使用ANSYS软件对角钢交叉斜材中点平面外位移与角钢交叉斜材轴力的相关曲线进行有限元分析。
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