高林濤，張偉，盧成志，林騫，張南

（華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

單角鋼不同初始缺陷對(duì)極限承載力的影響研究

高林濤，張偉，盧成志，林騫，張南

（華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)Q460高強(qiáng)單角鋼兩端偏心壓桿進(jìn)行數(shù)值模擬分析，利用殼單元將模型采用有限元分析方法得出的極限承載力值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。通過改變初始缺陷的比例值，分析初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力的影響。結(jié)果表明，有限元分析值與試驗(yàn)值吻合很好，證明有限元分析結(jié)果是可靠的。

有限元分析；ANSYS；高強(qiáng)角鋼；初始缺陷；極限承載力

0 引言

國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)普通單角鋼的受力特性進(jìn)行了大量的理論及試驗(yàn)研究［2-11］，這促進(jìn)了高強(qiáng)角鋼的研究及其應(yīng)用，并為其提供了大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)及理論依據(jù)。高強(qiáng)角鋼的力學(xué)特性非常優(yōu)越，并且具有建造適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，這些優(yōu)點(diǎn)令其在國外送電線路鐵塔結(jié)構(gòu)中得到了廣泛運(yùn)用［12］。本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)Q460高強(qiáng)角鋼進(jìn)行了建模和非線性分析，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，同時(shí)通過改變初始缺陷的比例值，觀察分析初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 計(jì)算模型

依據(jù)構(gòu)件在試驗(yàn)過程中的實(shí)際受力情況［13］，試驗(yàn)構(gòu)件的計(jì)算模型如圖1所示，T型連接板的2個(gè)Q345鋼板通過焊接相連，T型連接板和角鋼之間通過10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓相連。試驗(yàn)構(gòu)件的構(gòu)造如圖2所示。

1.2 試件型號(hào)尺寸

試件型號(hào)，L12508E30；總長，l＝l0+2l1＝794（mm），l1為T型板的實(shí)際厚度；T型連接板實(shí)際尺寸，300mm×235mm×22mm。

圖1 計(jì)算模型

圖2 試驗(yàn)構(gòu)件構(gòu)造

1.3 破壞依據(jù)

通過采用ANSYS有限元非線性分析，當(dāng)位移-荷載曲線出現(xiàn)下降趨勢(shì)時(shí)求解過程立即結(jié)束，此時(shí)試驗(yàn)構(gòu)件已處于被破壞狀態(tài)，這時(shí)候外部施加到構(gòu)件的載荷就是極限載荷。

2 試件的有限元數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型

T型連接板和高強(qiáng)度螺栓可以看做是理想狀態(tài)下的彈塑性材料，對(duì)Q460高強(qiáng)度單角鋼而言需要考慮其鋼材的強(qiáng)度硬化情況，全部鋼材的彈性模量及泊松比分別取2.06×105MPa和0.3。由材料特性試驗(yàn)可以得到，L12508E30型號(hào)的高強(qiáng)度單角鋼，其相應(yīng)的屈服應(yīng)力為530MPa。

基于VMI模式的供應(yīng)鏈集成同樣會(huì)帶動(dòng)信息流的整合，庫存信息將不僅僅在生產(chǎn)站段內(nèi)流動(dòng)，還需要通過供應(yīng)鏈向物資供應(yīng)段、供應(yīng)商傳導(dǎo)；同樣，供應(yīng)商的生產(chǎn)供應(yīng)計(jì)劃也會(huì)通過供應(yīng)鏈向物資供應(yīng)段、生產(chǎn)站段流動(dòng)。通過信息流的整合，物資供應(yīng)段在向供應(yīng)商提報(bào)需求計(jì)劃時(shí)能夠綜合考慮現(xiàn)有庫存和在途庫存，通過調(diào)控生產(chǎn)需求計(jì)劃保證生產(chǎn)站段庫存容量及到貨頻率。物資供應(yīng)段在調(diào)控生產(chǎn)需求計(jì)劃的同時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注并預(yù)測(cè)庫存總量、庫存資金占用的變化，以保證站段生產(chǎn)持續(xù)性為第一原則，少批量、多頻率地向供應(yīng)商提報(bào)生產(chǎn)需求計(jì)劃。

利用ANSYS有限元軟件對(duì)高強(qiáng)度單角鋼試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行非線性分析，通過三維實(shí)體建模，采用shell 181單元；高強(qiáng)度螺栓和角鋼連接板之間的接觸處，采用耦合節(jié)點(diǎn)的方法進(jìn)行模擬傳力，利用人工控制模型單元的辦法將有限元模型進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分。對(duì)應(yīng)的有限元模型如圖3所示。

圖3 角鋼的有限元模型

2.2 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

依據(jù)試驗(yàn)構(gòu)件的計(jì)算模型，構(gòu)件的兩端進(jìn)行固接連接，所以在試驗(yàn)構(gòu)件的頂端位置加載x和y方向上的約束，在試驗(yàn)構(gòu)件的底端加載x，y和z方向上的約束。垂直于高強(qiáng)單角鋼肢的平面?zhèn)仁┘?／1000單角鋼計(jì)算長度的初始缺陷，整個(gè)有限元分析過程由靜力學(xué)求解、特征值求解及非線性求解3個(gè)步驟組成。依照高強(qiáng)單角鋼一階屈曲模態(tài)施加初始缺陷，單角鋼的一階屈曲模態(tài)如圖4所示，經(jīng)過非線性分析，試件變形后的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 一階屈曲模態(tài)

圖5 應(yīng)力云圖

不同長細(xì)比角鋼在相同初始缺陷下的位移-載荷曲線如圖6所示，不同長細(xì)比角鋼的試驗(yàn)值見表1。

圖6 位移-載荷曲線

表1 試件試驗(yàn)值kN

從整體上看，ANSYS有限元分析的結(jié)果和試件試驗(yàn)值比較吻合，對(duì)于小長細(xì)比的試驗(yàn)構(gòu)件，試件試驗(yàn)值和有限元分析的結(jié)果非常接近，說明有限元分析結(jié)果是可靠的，可以利用有限元數(shù)值模擬的方法來分析試驗(yàn)構(gòu)件的受力特性。

3 初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力的影響

3.1 同一長細(xì)比角鋼不同初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力的影響

分別取角鋼計(jì)算長度的1／1 000，2／1 000，3／1000，4／1 000，5／1 000，6／1 000，10／1 000以及無初始缺陷，計(jì)算得不同長細(xì)比角鋼不同初始缺陷的位移-載荷變化曲線如圖7～圖10所示。

圖7 L12508E30的位移-載荷曲線

從圖中可以看出，對(duì)于一定長細(xì)比的角鋼，隨著初始缺陷的增大，角鋼的極限承載力在減小，而且隨著角鋼長細(xì)比的變大，極限承載力減小的幅度越來越大。

圖8 L12508E45的位移-載荷曲線

圖9 L12508E60的位移-載荷曲線

圖10 L12508E80的位移-載荷曲線

3.2 不同長細(xì)比角鋼的不同初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力的影響

圖11是不同長細(xì)比角鋼不同初始缺陷的極限承載力變化曲線（橫坐標(biāo)中‰代表初始缺陷是角鋼長度的1／1000，基準(zhǔn)值為角鋼計(jì)算長度）。從圖11中可以看出，隨著初始缺陷的增加，不同長細(xì)比角鋼的極限承載力在下降，并且下降趨勢(shì)基本一致；對(duì)于小長細(xì)比角鋼，在初始缺陷從0增加到10‰的過程中，極限承載力大幅度減小，中長細(xì)比的角鋼次之，大長細(xì)比的角鋼極限承載力減小的幅度最小，因此可以得出結(jié)論：小長細(xì)比的角鋼構(gòu)件對(duì)初始缺陷較為敏感。

圖11 極限承載力變化曲線

4 結(jié)論

（1）本文通過運(yùn)用ANSYS有限元軟件，對(duì)兩端偏心受壓角鋼桿件進(jìn)行了建模和非線性分析，有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)構(gòu)件的試驗(yàn)值吻合，分析的數(shù)據(jù)基本一致，表明本文有限元分析結(jié)果是可靠的，能夠利用有限元數(shù)值模擬的方法來分析試驗(yàn)構(gòu)件的受力特性。

（2）文中研究了初始缺陷的變化對(duì)角鋼構(gòu)件的影響，通過對(duì)比分析同一長細(xì)比角鋼的不同初始缺陷和不同長細(xì)比角鋼的不同初始缺陷，得到了初始缺陷對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件極限承載力影響的一般規(guī)律。從圖形中可以看出，初始缺陷的影響比較大，對(duì)于實(shí)際工程中角鋼設(shè)計(jì)、加工及安裝有一定現(xiàn)實(shí)意義。

［1］郭日彩，何長華.輸電線路鐵塔采用高強(qiáng)鋼的應(yīng)用研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：21-25.

［2］康麗萍，劉樹堂，姚國紅.長短腿輸電鐵塔在多工況荷載下的靜力特性分析［J］.浙江電力，2007，6（2）：52-54.

［3］邢海軍，李茂華，楊靖波，等.大寬厚比Q420角鋼軸壓構(gòu)件穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究［J］.中國電力，2010，43（10）：23-26.

［4］陳紹蕃.單邊連接單角鋼壓桿的計(jì)算與構(gòu)造［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25（2）：71-78.

［5］沈祖炎，胡學(xué)仁.單角鋼壓桿的穩(wěn)定計(jì)算［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1982，10（2）：56-71.

［6］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)程［S］.

［7］劉樹堂.輸電桿塔結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)計(jì)算［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［8］劉麗敏.高強(qiáng)鋼在特高壓輸電塔中的應(yīng)用［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

［9］GALAMBOS T V.Guide to stability design criteria formetal structures［M］.5th ed.New York：John Wiley＆Sons，1998.

［10］TEMPLE MC，SAKLA SS.Single-angle compression memberswelded by one leg to a gusset plate.1.Experimental Study［J］Can.J.Civ.Eng，1998，25（3）：569-584.

［11］ELGAALY.Behavior of single angle compression members［J］.J.Struct.Engrg，1991，117（12）：3720-3741.

［12］何長華.高強(qiáng)冷彎型鋼在輸電鐵塔上應(yīng)用可行性的探討［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2004，19（74）：35-37.

［13］樊春雷，郝際平，曹現(xiàn)雷，等.高強(qiáng)單角鋼兩端偏心受壓構(gòu)件的屈曲性能分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，42（3）：387-393.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TU 392.4；U 448.36

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1674-1951（2015）08-0040-03

高林濤（1988—），男，河南南陽人，工程師，工學(xué)碩士，從事輸配電設(shè)計(jì)研究工作（E-mail：lintao2080＠126.com）。

2015-01-27；

2015-07-26