輸電桿塔用Q420鋼管軸壓穩(wěn)定性能試驗研究

吳鎖平，呂　健，張大長(.江蘇省電力設計院，江蘇南京0；.南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京86)

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輸電桿塔用Q420鋼管軸壓穩(wěn)定性能試驗研究

吳鎖平1，呂健1，張大長2
(1.江蘇省電力設計院，江蘇南京211102；2.南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京211816)

摘要：文中分析比較了國內外不同設計規(guī)范關于高強鋼軸壓穩(wěn)定承載力計算理論，開展了不同長細比Q420高強鋼管軸壓穩(wěn)定承載力試驗。試驗中鋼管均發(fā)生極值點整體失穩(wěn)破壞，加載結束時1/2長度截面附近局部屈曲變形明顯。計算分析不同長細比Q420高強鋼管軸壓穩(wěn)定承載力與其試驗值進行比較，長細比小于60的鋼管穩(wěn)定承載力試驗值與計算值較接近，長細比大于60的穩(wěn)定承載力試驗值與計算值相差較大，按我國《鋼結構設計規(guī)范》中的b類截面、日本鋼規(guī)《AIJ1990》、加拿大輸電規(guī)范《S37-94》及歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》的軸壓承載力計算值略偏于保守，均可以滿足工程應用。

關鍵詞：Q420高強鋼管；軸壓穩(wěn)定承載力；試驗研究；理論分析

2014年江蘇省科技廳前瞻性聯(lián)合研究項目：BY2014005-11

進入21世紀以來，我國輸電線路發(fā)展進入飛速發(fā)展的階段，大批輸電線路工程相繼涌現(xiàn)。多年來，我國輸電鐵塔鋼材主要以Q235，Q345為主，與國際先進國家相比，材質較單一、強度值偏低，可選余地較小[1，2]。由于我國高強鋼的應用起步較晚，且高強鋼在輸電塔領域應用研究較少。目前還沒有大范圍推廣應用。隨著同塔多回路工程、大截面導線工程、大跨越工程的不斷建設，輸電鐵塔上的荷載不斷提升，大型輸電塔廣泛運用高強鋼管。日本在20世紀90年代相繼建成的同塔雙回路共425 km的1000 kV線路中，輔助材采用角鋼SS41或STK41（屈服強度255 MPa）型鋼，主材采用鋼管SS55或STK55（屈服強度415 MPa）；日本JEAC 6001—2000《架空送電規(guī)程》[3]中的JS690S（屈服強度520 MPa）；歐美國家大多采用55C-E，A36，G50，GR65等級的鋼材。在圓鋼管截面類型劃分方面：美國結構穩(wěn)定協(xié)會SSRC[4]、歐洲鋼結構協(xié)會ECCS[5]和日本規(guī)范將圓管截面定義為a類截面，我國《鋼結構設計規(guī)范》[6]中將軋制圓管截面定義為a類，焊接圓管截面定義為b類。

本文對比分析我國《鋼結構設計規(guī)范》、美國規(guī)范《ANSI/AISC 360—2010》[7]、《AIJ 1990》鋼構造限界狀態(tài)設計規(guī)劃[8]、歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993-1-1:2005》[9]、美國輸電規(guī)范《ASCE48-05》[10]、加拿大輸電規(guī)范《S37-94》[11]的相關理論，計算分析Q420高強鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力，并與Q420高強鋼管軸壓穩(wěn)定承載力試驗值進行比較，探討不同規(guī)范計算理論的實用性，為Q420高強鋼在實際工程中的應用提供理論依據(jù)。

1　軸壓穩(wěn)定承載力理論

1.1我國《鋼結構設計規(guī)范》的計算理論

我國《鋼結構設計規(guī)范》中關于構件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當λn＞0.215時：

式（1，2）中：λn為無量綱長細比；α1，α2，α3為系數(shù)；fy為材料屈服強度；E為材料彈性模量。

1.2美國規(guī)范《AISC》的計算理論

美國規(guī)范《AISC》中關于構件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

式（3—5）中：fE為歐拉臨界應力；K為計算長度系數(shù)；L為構件長度；r為截面回轉半徑。

1.3日本《AIJ1990》標準的計算理論

日本《AIJ1990鋼構造限界狀態(tài)設計規(guī)準》中關于構件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當λn＞λe時：

1.4歐洲鋼結構設計規(guī)范的計算理論

歐洲鋼結構設計規(guī)范《BS EN 1993-1-1:2005》中，冷彎成型鋼管屬于c類截面，構件穩(wěn)定折減系數(shù)χ的計算公式。

式（9，10）中：α為截面影響系數(shù)，對于鋼管截面α=0.49。

1.5美國《ASCE48-05》標準的計算理論

美國輸電線路鋼管設計規(guī)范《ASCE48-05》中關于構件軸壓穩(wěn)定承載力計算公式。

1.6加拿大《S37-94》標準的計算理論

加拿大輸電規(guī)范《S37-94》中關于構件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當0.15≤λn≤1.0時：

當1.0≤λn≤2.0時：

當2.0≤λn≤3.6時：

當3.6≤λn≤5.0時：

2　Q420高強鋼管軸壓承載力試驗

2.1軸壓鋼管試件

鋼管試件規(guī)格為D377×8，鋼管材質為Q420，開展不同長細比的Q420高強鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力試驗，長細比取值為30，40，50，60，80，100，Q420鋼材的力學性能如表1所示。

2.2加載及測試

由于鋼管試件長度較大，如圖1所示。Q420鋼管穩(wěn)定承載力試驗采用臥式水平加載，鋼管兩端采用核定承載力為6000 kN的球鉸施加軸向力。

表1　材料力學性能

圖1　試驗加載

圖2　軸壓試驗測點布置

2.3軸壓承載力的試驗結果

（1）典型破壞形式。試驗中隨著軸壓荷載的增大，各高強鋼管發(fā)生相似的壞形態(tài)。試件典型破壞模式軸壓荷載達到一定值后，軸壓鋼管的側向變形逐漸增大，即出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象；隨著側向變形繼續(xù)增大，軸壓荷載達到最大值，突然鋼管跨中發(fā)生局部凹凸、褶皺的局部屈曲，軸壓承載力迅速降低，即整體失穩(wěn)后導致鋼管發(fā)生局部失穩(wěn)。典型軸壓鋼管D356×8-λ=50的破壞形態(tài)如圖3所示。

（2）軸壓荷載—變形特性。試驗得到典型鋼管的軸壓荷載—變形曲線如圖4、圖5所示。鋼管在達到屈服承載力之前，隨著軸壓荷載的增大，荷載增長呈線性，位移變化很小；當軸壓荷載臨近或超過屈服承載力后，高強鋼管側向變形的發(fā)展明顯加快，說明鋼管由于整體失穩(wěn)而引起局部屈曲，各測點應變發(fā)展呈不規(guī)則的非線性趨勢。另外，基于鋼管軸壓荷載—變形曲線、軸向力—管中截面應變曲線可知，主管端部的轉動變形明顯，即為兩端鉸接加載。對于長細比小于40的構件，其局部屈曲變形明顯大于整體彎曲變形；對于長細比大于50的構件，其整體彎曲變形大于局部屈曲變形。不同長細比Q420高強鋼管試件的破壞模式為典型的極值點失穩(wěn)破壞，且伴隨比較明顯的局部屈曲，與理論分析結果相符。

圖3　軸壓鋼管典型破壞模式

圖4　軸壓荷載-變形曲線

3　Q420高強鋼管軸壓承載力的對比分析

不同長細比鋼管構件D377×8的軸壓穩(wěn)定系數(shù)的試驗值、計算值、模擬值如表2所示。其中Φexp為試驗穩(wěn)定系數(shù)；ΦFEA為有限元模擬系數(shù)；Φa，Φb是按《鋼結構設計規(guī)范》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ1是按《AISC 360—2010》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ2是按《AIJ 1990》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ3是按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ4是按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ5是按《S37-94》計算的穩(wěn)定系數(shù)。不同規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)對比情況如圖6所示。

圖5　軸向力—管中截面應變曲線

圖6　穩(wěn)定系數(shù)計算值和模擬值及試驗值對比

（1）按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最大，按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最小，相差8%以上；

（2）按《S37-94》計算的計算值與我國鋼規(guī)中按b類截面計算值接近；

（3）構件長細比大于60時，模擬穩(wěn)定系數(shù)與按日本鋼規(guī)《AIJ 1990》、美國鋼規(guī)《AISC 360—2010》、我國鋼規(guī)a類截面計算值比較接近；

（4）長細比大于60時，試驗穩(wěn)定系數(shù)比理論計算值大，是因為構件兩端球鉸未能協(xié)調轉動（與理想球鉸有區(qū)別），導致構件計算長度偏小。

表2　Q420高強鋼管軸壓穩(wěn)定系數(shù)

綜上所述，對Q420高強鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力可按我國鋼規(guī)中b類截面，日本鋼規(guī)《AIJ 1990》，加拿大輸電規(guī)范《S37-94》，或歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》進行計算分析，且偏于保守。

4　結束語

基于上述Q420高強鋼管軸壓承載力特性的計算分析，可以得出如下結論：

（1）長細比小于60的鋼管穩(wěn)定承載力試驗值與計算值較接近，長細比大于60的穩(wěn)定承載力試驗值與計算值相差較大；試驗中軸壓鋼管失穩(wěn)破壞形式主要為極值點失穩(wěn)，且1/2截面附近局部屈曲變形明顯；

（2）按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最大，按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最小，相差8%以上；按《S37-94》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值與我國《鋼結構設計規(guī)范》中按b類截面計算值接近；

（3）Q420高強鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力可按我國《鋼規(guī)》中的b類截面，日本鋼規(guī)《AIJ 1990》，加拿大輸電規(guī)范《S37-94》，或歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》進行計算分析，略偏于保守，可以滿足工程應用。

參考文獻：

[1]何長華.高強鋼冷彎型鋼在輸電塔上應用可行性探討[J].鋼結構，2004，19(5)：35-37.

[2]李茂華. Q420和Q460高強鋼在輸電線路鐵塔應用的研究[R].北京：國網(wǎng)北京電力建設研究院，2006.

[3]日本JEAC 6001—2000架空送電規(guī)程[S].

[4] GALAMBOS T V. ed. Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures [R]. John Wiley﹠Sons, 1998.

[5] STINTESO D. ed. European Convention of Constructional Steelworks Manual on the Stability of Steel Structures[R]. ECCS,Paris, 1976：55-97.

[6] GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范[S].

[7] ANSI/AISC 360—2010 An American National Standard Specification for Structural Steel Buildings[S]. Chicago, IL, 2005.

[8] AIJ 1990日本建筑學會鋼構造限界狀態(tài)設計規(guī)劃（案）[S]. 1990.

[9] BS EN 1993 Euro-Code 3: Design of Steel Structures[S].

[10] ASCE/SEI 4-05 Design of Steel Transmission Pole Structures [S].

[11] S37-94 Antennas Towers and Antenna-Supporting Structures [S].

吳鎖平（1972），男，江蘇姜堰人，高級工程師，從事電網(wǎng)工程設計工作；

呂健（1979），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事輸電線設計工作；

張大長（1971），男，浙江新昌人，教授，從事土木工程相關教學及科研工作。

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Computational Theory and Comparison Analysis on Axial Compression Bearing Capacity of Q420 High Strength Steel Tube for Transmission Line Tower

WU Suoping1, LYU Jian1, ZHANG Dachang2
(1. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China; 2. College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：Computational theory of axial compression bearing capacity in different national and foreign design standards are compared. The axial compression tests of Q420 high strength steel tube with different slenderness ratios are carried out. Integral instability happens during the tests, and obvious local buckle appears in the section of 1/2 length at the end of test. The bearing capacities of Q420 high strength steel tubes are calculated and compared. The calculation results agree with the testing results of the steel tubes that slenderness ratio is smaller than 60, and the test results for other slenderness ratios are lager than the calculation results. The calculation results are conservative, which are obtained according to the code for steel structure design, AIJ 1990 of Japan, S37-94 of Canada and BS EN 1993, and the computational theory could apply to the engineering design.

Key words：Q420 high-strength steel tube; compression stability bearing capacity; test research; theoretical analysis

作者簡介：

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-11-27

中圖分類號：TU3922

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0052-04