基于真型試驗(yàn)的雙組合角鋼鐵塔設(shè)計(jì)研究

徐明鳴，尹 鵬

(1.湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410007；2.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 試驗(yàn)概況

某500kV雙回真型試驗(yàn)塔全高52m，根開13.37m，整塔重量63.636t。塔身變坡處至塔腿主材采用十字截面雙組合高強(qiáng)角鋼，塔身主材規(guī)格為Q420 2L160×14及Q420 2L160×16，塔腿主材規(guī)格為Q420 2L160×16。雙組合角鋼節(jié)點(diǎn)處均采用雙面焊接填板，其余采用單填板螺栓連接。本試驗(yàn)是輸電塔真型驗(yàn)證試驗(yàn)，地點(diǎn)為國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院桿塔試驗(yàn)站，加荷點(diǎn)通過連有測力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，加荷系統(tǒng)為液壓閉環(huán)自動加荷測控系統(tǒng)。位移測量采用全站儀，應(yīng)變測量采用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及情況

根據(jù)設(shè)計(jì)，選擇了控制桿件較多和具有代表性的工況進(jìn)行試驗(yàn)。加荷級別按照相關(guān)規(guī)定【1】，一般工況加載順序?yàn)?－50%－75%－90%－95%－0，超載工況加載順序?yàn)?0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。

試驗(yàn)塔順利通過8項(xiàng)一般工況試驗(yàn)，在最后一項(xiàng)90度大風(fēng)超載工況試驗(yàn)中，垂直荷載加載至100%，橫向荷載加載至85%左右時(shí)，內(nèi)角側(cè)兩塔腿主材先后都在第2節(jié)間處發(fā)生屈曲破壞，導(dǎo)致整塔傾斜倒塌。如圖1、2所示，真型試驗(yàn)過程見表1。

圖1 內(nèi)角側(cè)塔腿屈服

圖2 塔腿屈服點(diǎn)位置

表1 試驗(yàn)工況及加載情況

3 試驗(yàn)塔受力分析

3.1 屈服破壞點(diǎn)位置

通過試驗(yàn)應(yīng)變片數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，塔腿主材及輔助材應(yīng)變變化很不均勻，塔腿斜材在不同節(jié)間應(yīng)變不同，說明塔腿輔助材不再只起支撐作用，而參與到了塔腿的受力體系之中。

塔腿兩端剛度較強(qiáng)，中間輔助支撐材因參與塔腿受力體系后對主材的支撐效果與理論計(jì)算存在差異。另外由于底部固端次彎矩的作用，增加了彎曲應(yīng)力，塔腿一但失穩(wěn)屈曲破壞，首屈服點(diǎn)應(yīng)該在塔腿中間區(qū)域且靠近塔腿板的位置。

3.2 組合角鋼受力不均勻

在鐵塔理論計(jì)算中，組合角鋼構(gòu)件是按整體統(tǒng)一的理想化構(gòu)件模式參與計(jì)算的，即假設(shè)組合角鋼兩肢受力均勻，無相對位移，能協(xié)調(diào)變形及共同抵抗外力。而通過試驗(yàn)應(yīng)變測值分析，組合角鋼兩肢存在應(yīng)力差。實(shí)測結(jié)果為：塔身處主材兩肢應(yīng)變差異較小，比例平均值約為1.06～1.12；而塔腿主材兩肢應(yīng)變差異較大，90度大風(fēng)工況時(shí)平均差異比例達(dá)1.62。試驗(yàn)主要工況應(yīng)變數(shù)據(jù)見表2，應(yīng)變片布置見圖3。

表2 典型工況下主材應(yīng)變值

圖3 應(yīng)變片布置

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，90度大風(fēng)試驗(yàn)工況加載85%時(shí)，塔腿主材軸壓力為2190.5kN，按兩肢1∶1.62的受力分配比例，內(nèi)側(cè)單肢壓力為1354.4kN，構(gòu)件規(guī)格Q420 L160×16，最小軸回轉(zhuǎn)半徑為3.14cm，截面積為49.07cm2。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)定【2】【3】，受壓構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算為：

式中：N為壓力設(shè)計(jì)值；φ為構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；A為構(gòu)件毛截面積；Mn為壓桿穩(wěn)定輕強(qiáng)度折減系數(shù)。按最小軸失穩(wěn)計(jì)算，單肢構(gòu)件壓應(yīng)力相對設(shè)計(jì)強(qiáng)度比值為1.33，相對屈服強(qiáng)度比值為1.21。可見雙組合角鋼的受力分配及變形破壞并非按理論計(jì)算所假設(shè)的情況。理論計(jì)算未考慮兩肢受力不均勻性，構(gòu)件承載力理論設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值存在差異，雙組合角鋼發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞不是雙肢同時(shí)破壞，而應(yīng)該是受力較大的單肢某點(diǎn)達(dá)到屈服強(qiáng)度而整體失穩(wěn)破壞。

3.3 考慮組合角鋼長細(xì)比的修正

有專家提出，雙肢組合角鋼在軸心受壓時(shí)，其承載力會受到剪力引起的桿件變形影響。在鐵塔理論計(jì)算中未考慮這些因素，組合角鋼受壓長細(xì)比的取值及修正按構(gòu)件兩端約束情況而定。在美國、英國和歐洲規(guī)范中，對于這樣的影響作用都是通過修正組合構(gòu)件的整體長細(xì)比來完成的。這樣的修正原則都是通過大量的試驗(yàn)、理論研究以及工程實(shí)踐得來的。由于目前我國對這方面的研究較少，也缺乏相關(guān)的理論總結(jié)，建議借鑒國外格構(gòu)式組合角鋼的整體長細(xì)比修正方法。即：

式中：λ為組合構(gòu)件整體長細(xì)比；λ1為單角鋼的長細(xì)比；λ0為相鄰填板間距與單角鋼最小軸回轉(zhuǎn)半徑的比值。理論計(jì)算表明，長細(xì)比越大，修正前后構(gòu)件承載力差別越大。當(dāng)長細(xì)比在30以內(nèi)時(shí)，承載力差別基本在5%以內(nèi)。

4 結(jié)語

(1)真型試驗(yàn)表明，在鐵塔實(shí)際受力中組合角鋼雙肢具有受力不均勻性，且受力越大體現(xiàn)越明顯。固端次彎矩是引起此差異的主要原因，在鐵塔設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。

(2)適當(dāng)控制雙組合角鋼主材長細(xì)比，腿部主材長細(xì)比宜控制在30左右，塔身主材長細(xì)比宜控制在40左右，以提高雙組合角鋼主材承載能力。

(3)塔腿主材及輔助材設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮底部次彎矩所引起的附加應(yīng)力。

(4)均勻布置填板及輔助材，減小構(gòu)件受力偏心，從構(gòu)造上保證主材剛度均勻變化，改善組合角鋼雙肢受力不均勻性。

(5)Q 420高強(qiáng)鋼材具有硬度大、強(qiáng)度高，但韌性相對較差，容易發(fā)生脆斷破壞。試驗(yàn)表明高強(qiáng)鋼在抵抗變形及抵抗失穩(wěn)屈曲等方面不如其抵抗強(qiáng)度破壞。

[1]DL/T 899-2004，架空線路桿塔結(jié)構(gòu)荷載試驗(yàn)[S].

[2]DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 [S].

[3]李振寶，等.雙角鋼十字組合截面偏心受壓構(gòu)件承載力試驗(yàn)研究[J].建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2009，(11).