關于角鋼塔兩端偏心受壓構件穩定承載力的研究

摘要：通過對角鋼塔兩端偏心受壓構件的承載力性能有限元分析，發現構件長細比較小時，以扭轉變形為主，隨著長細比的增大，繞平行軸彎曲變形的比重逐漸增加，進而建議根據長細比λ值大小來選擇計算方法的，這是對目前關于兩端偏心受壓構件計算方式過于單一的有益探索，在工程實際中具有實際運用價值。

關鍵詞：有限元；兩端偏心；長細比；受壓構件

角鋼塔是一種有降液管的板式塔。其鼓泡區是由相互并列的角鋼組成，角鋼的排列方向與液流方向平行。角鋼的尖角邊在下部，截面呈“V”字形，相鄰兩個角鋼之間有一定的柵縫，降液管與一般塔板相同。上一板的液體通過降液管流入“V”字形角鋼，而氣體則通過柵縫上升時與液體發生鼓泡，進行傳質過程，塔板上的氣液流動狀態與篩板相仿。角鋼塔板壓降較小，氣相通量較大，塔板效率較好，結構簡單，加工制造方便，剛度較好。

一、模型設計

1.角鋼模型

輸電桿塔結構中的K字型塔身斜材、塔腿斜材、橫膈面構件以及橫擔主材等部位均為單面連接角鋼構件，該類構件長細比范圍一般為70～120。對于兩端部均偏心連接的角鋼構件，在簡化時考慮到端部連接構件對其繞Z軸的扭轉具有約束作用，在單面連接角鋼連接肢肢尖處加Y方向的鏈桿支撐，但并不限制繞X軸和Y軸的轉動，簡化模型如圖1所示。

圖1 兩端偏心受壓角鋼計算模型

2.有限元模型

有限元分析時采用了殼單元。在ANSYS軟件的單元庫中，SHELL181單元是一種具有塑性變形能力的4節點空間殼單元，單元每個節點有6個自由度，分別是沿x、y、z方向平動自由度及繞x、y、z軸的旋轉自由度，該單元適合于模擬薄殼到中等厚度的殼，單元的幾何形狀、節點位置及坐標如圖2所示。

圖2 殼單元坐標及幾何形狀

3.殘余應力

本文研究的構件為熱軋型鋼，角鋼構件的殘余應力模式分布如圖4所示。圖中符號規定：正號為拉應力，負號為壓應力，通過試驗發現在個別試件中殘余應力達到了構件屈服強度的25%，因此本文取 值為0.3。

圖3 角鋼截面的殘余應力分布

二、計算分析

本文對規格為L125x8，屈服強度為Q345和Q235的兩端偏心受壓構件的穩定承載力進行了分析計算，

對于兩端偏心受壓構件，根據《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》（DL/T5154-2012）規定，應對該類構件長細比進行修正，長細比修正系數為 。經過長細比修正后的構件按軸心受力構件計算其極限承載力。

經修訂的《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）對單面連接的單角鋼做了具體規定，當該類截面按照軸心受壓構件計算時，應乘以不大于1.0的強度折減系數 ，經過折減后可不考慮扭轉對承載力的影響。為便于與下面提到的壓彎構件計算方法區別，此方法在本文中稱為鋼結構規范方法一，計算公式如下所示。

（1）

由于兩端偏心受壓角鋼構件受力狀態與壓彎構件相同，本文按照壓彎構件計算了兩端偏心受壓角鋼構件的承載力。計算采用了鋼結構設計規范規定的實腹式壓彎構件彎矩作用平面內穩定性計算方法，本文中稱為鋼結構規范方法二，計算公式如下所示：

（2）

本文在分析中采用構件長度的1/1000來考慮初始彎曲和初始偏心對受壓構件的影響。

表3列出了L125x8偏心受壓角鋼按桿塔技術規定、鋼結構規范、壓彎理論及ANSYS計算極限承載力。

可以看出，兩規范計算結果差別較大，對于屈服強度為Q235的角鋼偏壓構件，按桿塔技術規定計算所得承載力要高于鋼結構規范計算結果；對于屈服強度為Q345的角鋼偏壓構件，在長細比小于70的范圍內，兩規范計算結果較為接近，在長細比大于70的范圍內，桿塔技術規定計算結果仍高于鋼結構規范。

ANSYS計算結果與桿塔技術規定及鋼結構規范計算結果差別較大。對于Q235鋼材，當λ ≤ 70時，對于Q345鋼材，當λ ≤ 50時，有限元計算承載力最低，桿塔技術規定計算結果最高，鋼結構規范計算結果介于二者之間，按壓彎構件理論計算結果與采用ANSYS計算結果最為接近。

由于兩端偏心受壓角鋼構件的承載力與其屈曲模態有關，因此，受壓角鋼構件發生彎扭屈曲與彎曲屈曲長細比分界線分為兩類，由于桿塔結構中兩端偏心受壓角鋼構件的長細比一般在70～120之間，對于長細比小于70的偏心受壓構件建議按鋼結構規范方法二計算其承載力；當長細比大于70而小于軸心受壓構件彎扭屈曲的長細比分界線時，建議采用鋼結構規范方法一；當長細比大于軸心受壓構件彎扭屈曲的長細比分界線時，鋼結構規范方法一較為保守，仍可按照桿塔技術規定對該類情況的構件進行設計。

4 結論及建議

本文對兩端偏心受壓角鋼構件的承載力性能進行了分析計算，與軸心受壓角鋼構件相比，偏心受壓構件均因彎扭屈曲而破壞，長細比較小時，以扭轉變形為主，隨著長細比的增大，繞平行軸彎曲變形的比重逐漸增加。通過對L125x8角鋼構件承載力的分析計算發現，在長細比較小的范圍內，計算結果與有限元分析結果較為吻合，建議當λ<70時采用該方法計算兩端偏心受壓角鋼構件的承載力。由于承載力與其屈曲形式有密切的關系，文中根據軸心受壓構件發生彎扭屈曲的長細比分界線將長細比分為兩個部分，當λ≥70且小于該長細比分界線時，建議采用鋼結構規范方法一計算其承載力。當λ大于該長細比分界線時，仍可按照桿塔技術規定對該類構件進行設計。

參考文獻：

[1] DL/T5154-2012，《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[S].

[2] GB50017-2003，《鋼結構設計規范》[S].

[3] 歐陽斌，張華.殘余應力對軸心受壓桿件的影響探討[J].《南昌工程學院學報》，2004年第3期，