楊 美，李正良，劉紅軍

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045)

由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的電網(wǎng)建設(shè)也進入了一個前所未有的局面，一大批高壓、超高壓、長距離線路正在逐步延伸形成覆蓋范圍遼闊的聯(lián)合電網(wǎng)。隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展升級，輸電塔正在向大型化、鋼結(jié)構(gòu)化、規(guī)?；较虬l(fā)展。輸電塔的用鋼量不斷增大，需要的單根構(gòu)件承載力越來越高，對型材的需求也越來越廣。在型材材料的選用上，荷載較小的輸電塔用單角鋼或組合角鋼則可滿足要求，而對于特高壓線路、同塔多回線路、大截面導(dǎo)線線路、大跨越工程的鐵塔，其荷載明顯增大，僅用角鋼已不能滿足需求，這時就需要選用具有更高承載能力的鋼管構(gòu)件[1]。

鋼管構(gòu)件截面剛度大，材料各向同性、穩(wěn)定性好、抗過載能力強。與大荷載角鋼塔相比，它增加了鐵塔的整體安全度，而且鋼管塔結(jié)構(gòu)簡潔、風(fēng)阻效應(yīng)小、傳力清晰且桿件較少，便于施工。我國目前尚無高強鋼管在工程上應(yīng)用的先例，但已圓滿完成了。Q460/Q420高強鋼管塔真型試驗。試驗表明采用Q420和Q460高強鋼管作為主要受力構(gòu)件，較Q345鋼管直線塔可降低塔重6% ～10%，轉(zhuǎn)角塔降低6% ～10%[2]，較之角鋼構(gòu)件塔重則可降低 22% ～24%[3]。這些都標志著高強鋼管塔具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟和社會效益，必將成為輸電塔建設(shè)的趨勢。

現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017－2003)[4]對高強鋼材只提到Q390、Q420，缺少Q(mào)460高強鋼設(shè)計的必要參數(shù)。另外現(xiàn)行規(guī)范的柱子曲線都是早期根據(jù)較低強度鋼材的試驗結(jié)果得出的，這些都會造成高強鋼管設(shè)計的不確定性。隨著鋼管塔逐漸成為輸電塔建設(shè)中的趨勢，有必要對高強鋼管進行更深入的研究以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。本文將通過理論分析、試驗及有限元分析相結(jié)合的方法探索現(xiàn)行規(guī)范曲線的適用性問題。

1 逆算單元長度法

1.1 算法及程序介紹

我國規(guī)范GB 50017[4]關(guān)于軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)是李開禧、肖允徽按照柱的最大強度理論用逆算單元長度法算出大量ψ－λ曲線后，選擇其中常用的96條曲線，將承載能力相近的截面及其彎曲失穩(wěn)對應(yīng)軸合為一類進行分類歸納確定的。在進行數(shù)值計算時，考慮了截面的不同形式和尺寸、不同的加工條件及相應(yīng)的殘余應(yīng)力分布模式(圖1)，并考慮了1/1000桿長的初彎曲，其詳細介紹可參見文獻[5]及文獻[6]。本文將按照逆算單元長度法的思路利用FORTRAN95語言編制程序以實現(xiàn)柱子曲線的計算，關(guān)于程序采用的基本假定及流程介紹均參見文獻[7]。本文對鋼管主要考慮其縱向殘余應(yīng)力的影響，采用的殘余應(yīng)力模式見圖1[8]，σr為鋼管的縱向殘余應(yīng)力值。σy為鋼材的屈服應(yīng)力值，對Q420為420 N/mm2，對Q460為460 N/mm2，x/R=測點距焊縫圓周距離/鋼管半徑。鋼管單元的劃分見圖2。

圖1 鋼管的縱向殘余應(yīng)力分布模式

圖2 鋼管截面的單元劃分

1.2 計算結(jié)果

根據(jù)上述方法，本文分別計算了71組不同規(guī)格的Q420、Q460高強鋼管柱子曲線，鋼管規(guī)格按照文獻[9]選用。參照文獻[4]的做法，取柱子曲線的平均值(即50%分位值)作為代表曲線，得到了兩組數(shù)據(jù)點。

參照文獻[4]，對每組數(shù)據(jù)點采用非線性函數(shù)的最小二乘法將理論φ值擬合為perry公式形式的表達式:

對 Q420，由最小二乘法計算得出:α2=0.977，α3=0.251。再根據(jù)λn=0.215時，

計算得出:α1=0.679

同理，對 Q460，可計算得出:α1=0.417，α2=0.965，α3=0.250。

這樣就可得到Q420、Q460高強鋼管軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)計算表達式，由該表達式計算出的柱子曲線如圖3所示。

表1 Q420高強鋼管柱子曲線數(shù)據(jù)點

表2 Q460高強鋼管柱子曲線數(shù)據(jù)點

圖3 Q420、Q460高強鋼管的柱子曲線

2 高強鋼管柱子曲線適用性分析

2.1 與試驗及有限元分析結(jié)果對比

在文獻[10]及文獻[11]中，曾對20組不同材料和幾何尺寸的高強鋼管進行兩端鉸支軸壓試驗，并用有限元程序ANSYS進行了數(shù)值模擬。為驗證計算分析結(jié)果的正確性與適用性，下面將與試驗結(jié)果及有限元分析結(jié)果進行對比。

圖4 Q21系列柱子曲線

從圖4～圖8可看出，雖然部分試驗值低于理論值甚至b類曲線值，但有可能是構(gòu)件本身加工存在的缺陷或試驗過程中安裝、加載的不確定性所造成，試驗值、有限元值整體還是大于規(guī)范b類曲線值及理論值，說明程序計算結(jié)果與試驗值、有限元值符合的較好，計算結(jié)果可信。

圖5 Q22系列柱子曲線

圖6 Q23系列柱子曲線

2.2 與現(xiàn)行規(guī)范相比

由圖3可看出，Q420、Q460高強鋼管柱子曲線與現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[4]中的b類曲線較為接近，而在規(guī)范中焊接鋼管也是被劃分為b類截面，說明高強鋼管與低強度鋼材性質(zhì)上具有一定程度的相似性。另外，Q420要比Q460更接近規(guī)范b類曲線，說明隨著鋼材強度的提高，穩(wěn)定系數(shù)也要隨著增大，鋼管的受壓承載力也更高。而由表3可知，相同換算長細比下由程序算得的Q420、Q460軸心壓桿承載力與應(yīng)用文獻[4]計算的值差別很小，不超過5%。而不同鋼種間因強度的不同在長細比小于140時承載力會有10%以上的差別。因此b類曲線對高強鋼管來說基本是承載力的下限值。

圖7 G61系列柱子曲線

圖8 Q62系列柱子曲線

2.3 不同徑厚比影響下的柱子曲線

為防止圓形鋼管受壓構(gòu)件發(fā)生局部失穩(wěn)，文獻[4]規(guī)定其外徑與壁厚之比D/t≤100(235/fy);文獻[12]規(guī)定D/t≤24100/f，其中fy為鋼材屈服強度，f為鋼材抗壓設(shè)計強度，對Q420(鋼材厚度小于16 mm)為380 N/mm2，對Q460參照文獻[13]取為415 N/mm2。按照文獻[4]的規(guī)定，Q420的徑厚比限值為55.6，Q460則為51.1。按照文獻[12]的規(guī)定，Q420的徑厚比限值為63.4，Q460則為58.1。當D/t超過限值后，文獻[12]規(guī)定需對鋼管強度進行折減。本文分析所選的構(gòu)件徑厚比范圍分布見圖9，由圖可知，有60%以上的構(gòu)件徑厚比滿足文獻[4]和文獻[12]的要求，50%的構(gòu)件徑厚比集中在40～55。由于特高壓鋼管塔主材的徑厚比多為30～55，為便于比較，分別選取不同鋼種、徑厚比分別在30～35、40～45、50～55、55～60范圍內(nèi)的高強鋼管的柱子曲線與規(guī)范現(xiàn)行b類曲線以及理論值曲線進行比較。

表3 不同鋼種的軸心壓桿承載力理論值與文獻[4]計算值比較

續(xù)表3

圖9 所選高強鋼管的徑厚比分布范圍圖

圖10 不同徑厚比的Q420高強鋼管柱子曲線

圖11 不同徑厚比的Q460高強鋼管柱子曲線

根據(jù)文獻[10]，當λ≤40時，管中大部分接近屈服，鋼管承載力主要由強度控制，高強鋼的優(yōu)勢發(fā)揮比較明顯。由圖10和圖11比較可看出，對Q420高強鋼，當D/t≥55后，在λ≤40時其柱子曲線將低于規(guī)范b類曲線，試驗中也反映了這一點，而Q460高強鋼則還是在b類曲線上。因此文獻[12]的徑厚比限制對Q420相對寬松之下，在對Q420高強鋼管進行設(shè)計時，如果長細比小于40時，應(yīng)對鋼材強度進行一定的折減后方可用于設(shè)計。

3 結(jié)論

(1)通過與Q420、Q460高強鋼管的試驗、有限元分析結(jié)果可知，程序計算結(jié)果與試驗值、有限元分析值符合的較好，計算結(jié)果可信。

(2)程序計算分析出的Q420、Q460高強鋼管軸心受壓柱子曲線介于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017－2003)[4]a類曲線和b類曲線之間，與b類曲線較為接近。Q460高強鋼管柱子曲線略高于Q420，在長細比小于140時承載力會有10%以上的差別。現(xiàn)有規(guī)范b類柱子曲線適用于高強鋼管的設(shè)計，但對Q420高強鋼管進行設(shè)計時，長細比小于40且D/t≥55時，應(yīng)對鋼材強度進行一定的折減后方可用于設(shè)計。

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