钢拉杆受力性能试验研究

刘涛; 熊家鑫; 范重; 赵作周; 孙立领; 张爱林; 张艳霞; 崔喆; 葛红斌; 黄进芳

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.05.S030

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

基金项目: 中国建筑设计研究院有限公司科技创新项目(1100C080220338)

详细信息

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: 2016130@cadg.cn)

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: xiongjiaxin1998@163.com)

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: zzzhao@tsinghua.edu.cn)

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: sunlljl@163.com)

张爱林(1961−)，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: Zhangailin@bucea.edu.cn)

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: Zhangyanxia@bucea.edu.cn)

崔　喆(1967−)，男，河北人，工程师，学士，主要从事机械工程研究(E-mail: 928317971@qq.com)

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: 13950001889@139.com)

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: hjfdzyx@163.com)

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: fanz@cadg.cn)

中图分类号: TU391
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-05-30
- 修回日期: 2023-02-07
- 网络出版日期: 2023-03-03
- 刊出日期: 2023-06-24

EXPERIMENTAL STUDY ON MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL TIE RODS

1.
China Architecture Design & Research Institute, Beijing 100044, China
2.
School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China
3.
Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
4.
Juli Sling Co., Ltd, Baoding, Hebei 072550, China
5.
Fujian Zhaoxiang Airport Construction Co., Ltd, Xiamen, Fujian 361006, China

摘要

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。
- 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
Abstract: In order to investigate the mechanical properties of steel tie rods under different loading conditions, the monotonic tension and low-cycle reciprocating tension and compression experiment was carried out on ten GLG650 steel tie rod specimens. The load-displacement curves, yield bearing capacity, maximum bearing capacity and ultimate bearing capacity of the steel tie rods and corresponding deformation and failure modes were obtained. The results of experiment and analysis show that the load-displacement curve of the steel tie rod is close to a straight line in the yield strengthening stage, and the load-displacement curves of the steel tie rods with smaller slenderness exhibit cyclic softening phenomenon under reciprocating tension and compression. After yielding in tension, as the axial deformation of the steel tie rod increases, its lateral deflection increases with the reverse compression, and the middle part of the rod enters into yield under compression and bending. The elongation after fracture of the steel tie rods is about 3.4% to 6.8%, which is much smaller than the elongation at breakage of the steel sample. Though the fracture mostly occurs at the loading end or fixed end, the fracture in the middle of the bar increases when the slenderness ratio is small, due to plastic damage accumulation under compression and bending. The load-displacement hysteresis rule of the steel tie rod determined according to the characteristic points can be used for elastic-plastic analysis under reciprocating load.
- steel tie rod /
- mechanical performance test /
- reciprocating loading /
- hardening coefficient /
- elongation after fracture /
- hysteresis rule

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图 1 钢拉杆试件尺寸示意图　/mm

Figure 1. Schematic diagram of the dimensions of the steel tie rod specimens

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图 2 加载装置图　/mm

Figure 2. Loading device diagram

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图 3 测试仪器布置图　/mm

Figure 3. Measuring instrument layout

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图 4 往复拉压加载制度

Figure 4. Cyclic tension and compression loading procedure

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图 5 钢拉杆单调受拉荷载-位移曲线

Figure 5. Monotonic tensile load-displacement curves of the steel tie rods

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图 6 MON-D30-2试件单调受拉破坏情况

Figure 6. Failure of MON-D30-2 under monotonic tension

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7 钢拉杆往复拉压时的荷载-变形曲线

7. Load-displacement curves of steel tie rods under cyclic tension and compression

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图 8 CYC-D30-1试件在往复拉压时的破坏情况

Figure 8. Failure of CYC-D30-1 under cyclic tension and compression

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图 9 钢拉杆轴向压力-位移曲线

Figure 9. Axial pressure-displacement curve of the steel tie rod

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图 10 钢拉杆受压屈曲变形

Figure 10. Buckling deflection of steel tie rod under compression

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图 11 钢拉杆压弯屈服变形与杆件长细比的关系

Figure 11. Relationship between the yield lateral deflection under compression-bending and slenderness ratio of the steel rod

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图 12 钢拉杆受压侧向挠曲变形与轴向变形的关系

Figure 12. The relationship between the lateral deflection and the axial deformation of the steel rod under compression

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图 13 试件的颈缩破坏情况

Figure 13. Neck failure of the specimens

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图 14 钢拉杆在往复拉压下的滞回特性

Figure 14. Hysteresis characteristics of steel tie rod under cyclic tension and compression

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表 1 钢拉杆试件规格

Table 1 Specifications of the steel tie rod specimens

直径d/mm	长度l/mm	长细比λ	材质	数量
25	2400	384.6	35CrMo	5
30	2400	320.4	35CrMo	5
注：钢拉杆长度l为两个销轴中心之间的间距。

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表 2 钢材化学成分

Table 2 Chemical composition of the steel

拉杆直径 d/mm	C/ (%)	Si/ (%)	Mn/ (%)	P/ (%)	S/ (%)	Cr/ (%)	Ni/ (%)	Cu/ (%)	Mo/ (%)	Als/ (%)	Al/ (%)
25	0.37	0.22	0.58	0.021	0.007	0.93	0.014	0.013	0.018	0.017	0.019
30	0.38	0.23	0.59	0.010	0.002	0.92	0.035	0.040	0.086	0.017	0.019

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表 3 钢材机械性能

Table 3 Mechanical properties of the steel

拉杆直径d/mm	R_p0.2/MPa	R_m/MPa	A/(%)	Z/(%)	A_kU/J
25	858	956	20.0	64.0	121.94
30	858	954	20.0	65.0	121.36
注：R_p0.2为0.2%残余变形相应的屈服强度；R_m为抗拉强度；A和Z分别破断伸长率和截面收缩率；A_kU为−20 ℃的冲击功。

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表 4 钢拉杆构件编号

Table 4 Steel tie rod member number

构件编号	直径d/mm	加载方式
MON-D25-1、2	25	单向受拉
CYC-D25-1~3	25	往复拉压
MON-D30-1、2	30	单向受拉
CYC-D30-1~3	30	往复拉压

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表 5 钢拉杆单调受拉试验结果

Table 5 Experimental results of steel tie rods under monotonic tension

试件编号	F_y/kN	Δ_y/mm	F_m/kN	Δ_m/mm	F_u/kN	Δ_u/mm	F_c/kN	Δ_c/mm	μ	δ/(%)
MON-D25-1	423.40	12.33	463.78	74.25	463.78	74.25	309.24	82.26	6.02	4.18
MON-D25-2	421.36	14.96	467.61	75.00	467.61	75.00	303.85	85.26	5.01	3.41
MON-D30-1	621.33	12.71	700.27	102.82	700.27	102.82	444.03	113.04	8.09	5.05
MON-D30-2	597.59	14.01	673.22	125.60	673.22	125.60	443.14	134.04	8.97	6.03
注：F_y、F_m、F_u和F_c分别为屈服承载力、最大承载力、极限承载力和断裂承载力；Δ_y、Δ_m、Δ_u和Δ_c分别为与屈服承载力、最大承载力、极限承载力和断裂承载力相对应的位移；μ为延性系数，μ=Δ_u/Δ_y；δ为断后伸长率，δ=(l_c−l₀)/l₀×100%，其中l₀和l_c分别为杆体的初始长度与破断后的长度。

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表 6 钢拉杆单调受拉破坏情况

Table 6 Failure of steel tie rods under monotonic tension

试件编号	照片	颈缩部位	破断位置
MON-D25-1		加载端	距加载端U型接头463 mm
MON-D25-2		固定端	距固定端U型接头456 mm
MON-D30-1		加载端	距加载端U型接头315 mm
MON-D30-2		中间段	距加载端U型接头1015 mm
注：左侧(S侧)为加载端，右侧(N侧)为固定端；钢拉杆试件破断位置均为颈缩部位。

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表 7 钢拉杆往复拉压试验结果

Table 7 Experimental results of steel tie rods under cyclic tension and compression

试件编号	F_y/kN	Δ_y/mm	F_m/kN	Δ_m/mm	F_u/kN	Δ_u/mm	F_c/kN	Δ_c/mm	μ	δ/(%)
CYC-D25-1	404.01	10.88	462.37	80.76	462.26	89.59	303.29	96.97	7.42	4.54
CYC-D25-2	418.60	12.42	464.85	73.10	464.84	88.20	317.49	94.84	5.89	4.34
CYC-D25-3	403.13	10.91	460.89	65.04	427.50	89.93	297.51	94.30	5.96	4.03
CYC-D30-1	584.22	14.49	664.57	77.75	642.25	141.83	442.67	150.37	5.37	6.64
CYC-D30-2	568.01	11.64	662.24	90.00	654.79	128.33	431.08	138.74	7.73	6.23
CYC-D30-3	571.16	11.45	656.47	89.06	639.47	145.16	433.10	154.82	7.78	6.75
注：F_y、F_m、F_u和F_c分别为屈服承载力、最大承载力、极限承载力和断裂承载力；Δ_y、Δ_m、Δ_u和Δ_c分别为与屈服承载力、最大承载力、极限承载力和断裂承载力相对应的位移；μ为延性系数，μ=Δ_u/Δ_y；δ为断后伸长率，δ=(l_c−l₀)/l₀×100%。

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表 8 钢拉杆往复拉压破坏情况

Table 8 Failure of steel tie rods under cyclic tension and compression

试件编号	照片	颈缩部位	起始时点	破断时点	破断位置
CYC-D25-1		加载端	9Δ_y1+	10Δ_y1+	距加载端U型接头468 mm
CYC-D25-2		加载端	9Δ_y1+	11Δ_y1+	距加载端U型接头473 mm
CYC-D25-3		固定端	9Δ_y1+	11Δ_y1+	距固定端U型接头448 mm
CYC-D30-1		中间段	13Δ_y1+	15Δ_y1+	距加载端U型接头1248 mm
CYC-D30-2		加载端	13Δ_y1+	15Δ_y1+	距加载端U型接头295 mm
CYC-D30-3		中间段	13Δ_y1+	15Δ_y1+	距固定端U型接头1258 mm
注：左侧(S侧)为加载端，右侧(N侧)为固定端；钢拉杆试件破断位置均为颈缩部位。

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表 9 钢拉杆屈曲临界荷载

Table 9 Critical buckling loads of the steel tie rods

直径	N_cr/kN(总长)	N_cr1/kN(杆长)	N_exp/kN
D25	6.75	10.35	17.66
D30	14.00	21.38	26.99
注：E=2.06×10⁵ MPa；l=2400 mm，l_d25=1937.6 mm，l_d30=1941.8 mm。

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表 10 试件钢材的硬化系数

Table 10 Steel hardening coefficients of the specimens

试件编号	硬化系数k	试件编号	硬化系数k
MON-D25-1	0.0132	MON-D30-1	0.0146
MON-D25-2	0.0129	MON-D30-2	0.0149
CYC-D25-1	0.0165	CYC-D30-1	0.0145
CYC-D25-2	0.0192	CYC-D30-2	0.0157
CYC-D25-3	0.0139	CYC-D30-3	0.0152
平均值	0.0151	平均值	0.0150

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参考文献(15)

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