大規(guī)格高強度角鋼構(gòu)件軸壓承載力計算方法研究

柯 嘉，吳海洋，徐 彬，高 彬

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

大規(guī)格高強度角鋼構(gòu)件軸壓承載力計算方法研究

柯 嘉，吳海洋，徐 彬，高 彬

(中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

大規(guī)格高強度角鋼構(gòu)件是指肢寬不小于220 mm、肢厚不小于20 mm，材質(zhì)為Q420及以上的角鋼構(gòu)件，其在輸電線路工程中已開始應(yīng)用，但對于大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計算方法尚缺乏深入研究。針對輸電線路工程常用的大角鋼構(gòu)件展開試驗研究。根據(jù)試驗結(jié)果，提出大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計算方法，并與國外主要規(guī)范計算結(jié)果進行比較，結(jié)果表明：該計算方法具有較好的可靠性。針對某輸電塔，分別按照b類截面、推薦計算方法進行設(shè)計，采用推薦計算方法設(shè)計時，輸電塔重可降低1.8%，具有較好的經(jīng)濟效益。

大規(guī)格高強度角鋼；軸壓承載力；試驗；計算方法研究 。

1 概述

大規(guī)格高強度角鋼構(gòu)件(以下簡稱大角鋼)是指肢寬不小于220 mm、肢厚不小于20 mm，材質(zhì)為Q420及以上的角鋼構(gòu)件。大角鋼構(gòu)件近年在特高壓輸電線路工程中開始廣泛應(yīng)用 ，但是目前對于大角鋼構(gòu)件的設(shè)計仍然采用與普通角鋼構(gòu)件相同的設(shè)計理論，即按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)的b類截面計算軸壓承載力。

在多個工程的鐵塔試驗中，按照b類截面設(shè)計時，大角鋼均表現(xiàn)出較強的超載能力。有試驗表明，按照b類截面設(shè)計時，按理論計算大角鋼構(gòu)件將在115%的設(shè)計荷載作用下破壞。但試驗加載到設(shè)計荷載的130%時該構(gòu)件仍未破壞。顯然，按照目前的計算方法大角鋼構(gòu)件設(shè)計偏于保守。在工程設(shè)計中，大角鋼構(gòu)件的高強承載力應(yīng)得到更為充分的利用，從而節(jié)省工程造價。大角鋼構(gòu)件的軸壓承載力究竟應(yīng)如何確定，目前鮮有研究。

本文針對輸電線路工程中常用的大角鋼構(gòu)件軸壓承載力了展開試驗研究，與各國規(guī)范進行比較，提出一種合理的大角鋼軸壓承載力計算方法。

2 試驗概括

2.1 試件設(shè)計

輸電線路工程中，大角鋼構(gòu)件多用于鐵塔主材構(gòu)件，其長細比一般為35～55，其肢寬一般為220 mm、250 mm。因此，用于軸壓試驗的大角鋼試件截面規(guī)格、長細比見下表。

表1 試件的截面規(guī)格和長細比

為增加試驗結(jié)果的可信性和統(tǒng)計性，對同一截面規(guī)格、同一長細比，均采用三個相同試件進行試驗。本次試驗共采用6種截面規(guī)格、5種長細比，共90個試件。

2.2 材性試驗

對每種截面規(guī)格的試件，采用3根標準棒材，進行軸向拉伸，測量其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線。共進行了6組18根標準棒材的軸向拉伸材性試驗。標準棒材試樣加工圖見圖1。

圖1 用于材性試驗的標準棒材

根據(jù)材性試驗結(jié)果，對于不同截面規(guī)格的大角鋼試件，其材性并不完全相同。故對每種截面規(guī)格的大角鋼試件，取不同的屈服強度fy、極限強度fu作為進一步分析的依據(jù)。各截面規(guī)格大角鋼試件的屈服強度fy、極限強度fu見表2。

表2 各截面規(guī)格的材性試驗結(jié)果

2.3 加載方案和測量方案

輸電鐵塔一般為桁架結(jié)構(gòu)，其角鋼構(gòu)件可以按照兩端鉸接的桿單元進行受力分析。因此，按照“兩端鉸接”的受力模型設(shè)計大角鋼構(gòu)件的加載方案，試件兩端采用球絞，加載裝置見圖2。

圖2 試驗加載裝置

肢寬為220 mm的大角鋼構(gòu)件采用500 t壓力機加載，肢寬為250 mm的大角鋼構(gòu)件試驗采用2000 t壓力機加載。

本次試驗采用靜力分級加載的方法進行。對于每一根大角鋼試件，在加載前使用有限元軟件ANSYS進行數(shù)值模擬預(yù)估其極限承載力，根據(jù)預(yù)估極限承載力確定施加荷載的級數(shù)和每一級荷載的大小。

本試驗的觀測內(nèi)容主要有：

(1)位移觀測：觀測試件的軸向變形和彎曲變形。在加載機上下端設(shè)置豎向位移表，用于觀測試件的軸向壓縮量；在試件中部設(shè)置指向形心的水平位移表，用于觀測試件的撓曲幅值，見圖3。

圖3 位移測量方案

(2)應(yīng)變測量：觀測試件中部截面應(yīng)力分布、變化。將應(yīng)變片沿試件縱軸向，粘貼于試件中部。每根大角鋼試件設(shè)置6個測點，測點設(shè)置于角鋼兩肢距邊緣10 mm處，見圖4。

圖4 應(yīng)變測量方案

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 構(gòu)件破壞特征

在初始加載階段，試件變形以軸向壓縮變形為主。隨著荷載的不斷加大，試件中部發(fā)生彎曲，大部分試件中部的兩個位移計均被壓縮(或均發(fā)生延伸)，即2～5面、4～6面的水平位移方向相同(見圖5)，這表明試件向肢背方向(或肢尖方向)彎曲。荷載繼續(xù)加大，試件彎曲變形持續(xù)增加。當荷載達到某個值時，荷載不再加大，試件的彎曲變形仍然在增加，構(gòu)件變形肉眼可見，這表明構(gòu)件中部已進入塑性，整個構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)形態(tài)表現(xiàn)為彎曲失穩(wěn)。

圖5 試件中部水平位移測量結(jié)果(彎曲失穩(wěn))

在加載過程中，少數(shù)構(gòu)件會出現(xiàn)另一種情況，即中部的一個位移計被壓縮、另一個位移計則延伸，即2～5面、4～6面的水平位移方向相反(見圖6)，這表明試件存在一定的扭轉(zhuǎn)變形。該構(gòu)件失穩(wěn)形態(tài)表現(xiàn)為彎扭失穩(wěn)。

圖6 試件中部水平位移測量結(jié)果(彎扭失穩(wěn))

3.2 構(gòu)件軸壓承載力

根據(jù)實測的構(gòu)件截面積和屈服強度值，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)的b類截面計算各試件的軸壓承載力，將計算結(jié)果與試驗得到的構(gòu)件承載力進行比較。L220×20等試件的軸壓承載力比較見圖7。

圖7 試件軸壓承載力比較

從圖7看到，對于L220×20截面的試件，按b類截面計算的構(gòu)件承載力為2600～3100 kN，而其試驗結(jié)果為3600～4000kN，比b類截面計算結(jié)果高20%～30%。對于L220×22、L220×26截面的試件，其試驗結(jié)果比b類截面計算結(jié)果高15%～25%。對于L220×26截面的試件，其試驗結(jié)果比b類截面計算結(jié)果高10%～20%。

可見，按照b類截面計算的大角鋼構(gòu)件承載力明顯低于試驗值，不能真實反映構(gòu)件的實際承載力。對L250×26等其他試件展開分析，可以得到類似結(jié)論。

由于采用b類截面進行大角鋼構(gòu)件設(shè)計偏于保守，需要針對大角鋼構(gòu)件提出一種更為合理的承載力計算方法。

4 大角鋼軸壓承載力計算方法

4.1 大角鋼軸壓承載力的推薦計算方法

為結(jié)合我國工程實踐，本文推薦的大角鋼軸壓承載力的計算方法，采用與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)相同的計算形式，即：

實腹式大角鋼壓桿設(shè)計承載力N應(yīng)滿足：

式中：A為實腹式大角鋼壓桿總截面面積；f為

大角鋼壓桿鋼材屈服強度設(shè)計值；φ為軸

心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)。大角鋼壓桿穩(wěn)定系數(shù)φ按下式確定。

當λn≤0.215時：

當時：

式中：λn為正則化長細比，

根據(jù)本文的試驗結(jié)果，通過實測數(shù)據(jù)對計算參數(shù)α1、α2和α3進行非線性擬合分析，確定其取值，見表3。

表3 系數(shù)取值

利用推薦計算公式，繪制出相應(yīng)的柱子曲線，并與現(xiàn)行規(guī)范中的四類柱子曲線進行對比，見圖8。

圖8 大角鋼軸壓構(gòu)件推薦的柱子曲線

從圖8可以看到，推薦計算方法的穩(wěn)定系數(shù)明顯高于b類截面取值，與a類截面取值基本相當。

4.2 推薦計算方法的評價

為更好的評價推薦公式的可靠性，針對試驗研究涉及的所有截面規(guī)格、所有長細比的構(gòu)件，分別按照我國規(guī)范(GB 50017—2003、DL/T 5154—2010) 的a、b類截面，美國規(guī)范(ASCE10—97、AISC—2000)，歐洲規(guī)范(Eurocode:3)，澳大利亞規(guī)范(AS4100—1998)等國內(nèi)外主要規(guī)范進行大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計算。為方便比較，將構(gòu)件承載力進行無量綱化，即對穩(wěn)定系數(shù)展開比較。

推薦公式、試驗結(jié)果、各規(guī)范計算得到的穩(wěn)定系數(shù)進行了比較見圖9。

圖9 推薦公式、試驗結(jié)果、各規(guī)范計算的穩(wěn)定系數(shù)比較

從圖9可以看到：

(1)長細比35～55范圍內(nèi)，推薦公式給出的穩(wěn)定系數(shù)基本低于試驗結(jié)果，具有95%的保證率，說明推薦公式具有較好的可靠性。

(2)長細比35～55范圍內(nèi)，推薦公式和我國規(guī)范(GB20017、DL/T 5154)的a類截面、美國規(guī)范(ASCE、AISC)、澳大利亞規(guī)范(AS4100)計算的穩(wěn)定系數(shù)較為接近，均高于b類截面設(shè)計結(jié)果。ASCE等規(guī)范的計算結(jié)果進一步印證了推薦公式的可靠性。

(3)目前，輸電線路工程采用的大角鋼構(gòu)件多用于鐵塔主材，長細比集中于35～55范圍內(nèi)。因而，推薦公式可以較好地應(yīng)用于輸電線路工程設(shè)計。

綜上所述，大角鋼受力性能好，甚至優(yōu)于我國規(guī)范a截面，采用推薦公式可以更真實的反映大角鋼的承載能力。從試驗結(jié)果、國內(nèi)外規(guī)范比較來看，在長細比35～55范圍內(nèi)，推薦公式具有較好的可靠性，可較好地應(yīng)用于輸電線路工程設(shè)計。

5 技術(shù)經(jīng)濟分析

針對某特高壓輸電線路工程塔型JC31152，分別按照b類截面、推薦計算方法進行設(shè)計。計算結(jié)果表明，與b類截面設(shè)計相比，采用推薦計算方法時，同樣部位的大角鋼構(gòu)件規(guī)格能降低一級，見表4。

表4 按不同方式設(shè)計時，典型塔的主材規(guī)格對比

采用不同設(shè)計方法時，JC31152的塔重比較見表5。

表5 按不同方式設(shè)計得到的典型塔塔重

由于特高壓輸電線路鐵塔荷載較大，大角鋼構(gòu)件使用量大，采用推薦計算方法設(shè)計時能夠較大幅度的降低塔材指標。初步計算和統(tǒng)計結(jié)果表明：采用推薦計算方法設(shè)計時，JC31152塔重可降低1.8%，具有較好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)論

針對輸電線路工程中常用截面規(guī)格和長細比的90根試件，展開大角鋼軸壓承載力試驗研究，提出大角鋼軸壓承載力的推薦計算公式，并與各國規(guī)范進行比較，得到以下結(jié)論：

(1) 軸壓試驗表明，大角鋼構(gòu)件失穩(wěn)模態(tài)一般表現(xiàn)為彎曲失穩(wěn)，少數(shù)構(gòu)件表現(xiàn)為彎扭失穩(wěn)。

(2) 軸壓試驗表明，大角鋼構(gòu)件的軸壓實際承載力明顯高于b類截面(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50017－2003))計算值，按b類截面設(shè)計偏于保守。

(3) 提出了一種大角鋼構(gòu)件軸壓承載力的計算方法。將推薦計算方法與試驗結(jié)果、ASCE等國內(nèi)外主要規(guī)范的計算結(jié)果進行比較表明，推薦計算方法具有較好的可靠性。

(4) 針對某特高壓輸電線路工程塔型JC31152，分別按照b類截面、推薦計算方法進行設(shè)計。計算結(jié)果表明：采用推薦計算方法設(shè)計時，JC31152塔重可降低1.8%，具有較好的經(jīng)濟效益。

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即使在最糟糕的情況下，即基線長度在300 km的時候，坐標改正誤差也在0.6 mm以內(nèi)，因此由于基準不一致而引起的誤差可以完全忽略不計。

4 結(jié)論

根據(jù)這篇文章的相關(guān)討論，可以知道，在進行載波相位差分定位中，當流動站與基準站間距離一定時，由于軌道誤差而引起的差分誤差改正將隨著軌道誤差的增大而線性增大；當軌道誤差一定時，差分誤差改正項將隨著流動站之間的距離的增大而線性增大。

基于文章的分析，可以得到一個重要的結(jié)論：無論精度要求多高，由于基準不一致所帶來的影響完全處在可以忽略的水平。當使用精密星歷時的定位精度并不是本文所關(guān)心的問題。在RTK中，還使用了一些其他的方法對各種誤差進行削弱和消除，因此，當使用廣播星歷或精密星歷，且基準坐標為CGCS2000時，由于基準不一致而引起的誤差可以完全忽略。 同時也可以得到另外一個結(jié)論，即由于基準(CGCS2000，IITRF 和WGS84)引起的誤差對于任何基于差分定位的定位方法均可以忽略不計。

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Study on Calculation of Axial Compressive Bearing Capacity of Large-section and High-strength Angle Members

KE Jia, WU Hai-yang, XYU Bing, GAO Bing
( Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group Corporation, Wuhan 430071, China)

Large-section and high-strength angle steels are construction members with limb width larger than or equal to 220mm, limb thickness larger than or equal to 20mm, and strength higher than or equa1 to Q420. Such kind of members have begun to be used in the field of steel transmission towers. However the calculating method of axial bearing capacity for the members lacks further research. The axial compression column tests were conducted for the large-section and high-strength angle steels. Based on the test results, the calculating method of axial bearing capacity was put forward and coMPared with column curves from different foreign codes. It is shown that this calculating method has good reliability. Concretely to some transmission tower, according to the section B and commendatory calculating method adopted in this paper, the weight of the transmission tower could decrease 1.8% and has good economic benefits.

large-section and high-strength angle; axial compressive bearing capacity; experimental; study on calculation.

TM75

B

1671-9913(2015)05-0053-05

2015-04-15

柯嘉(1985- )，男，湖北黃岡人，工學(xué)碩士，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計研究工作。

國家自然科學(xué)基金(51378401)，中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院科技項目(40－1A－KY201219－T01)。