宋啟明

（福建永福鐵塔技術(shù)開發(fā)有限公司 福建 福州 350001）

輸電鐵塔中軸心受壓桿件的計(jì)算長(zhǎng)度取值優(yōu)化

宋啟明

（福建永福鐵塔技術(shù)開發(fā)有限公司 福建 福州 350001）

本文分析了輸電鐵塔軸心受壓桿件的計(jì)算長(zhǎng)度以及長(zhǎng)細(xì)比對(duì)穩(wěn)定強(qiáng)度的影響，通過計(jì)算對(duì)比不同材質(zhì)軸心壓桿的承載力與強(qiáng)度的關(guān)系，得出不同材質(zhì)各種規(guī)格角鋼的經(jīng)濟(jì)合理計(jì)算長(zhǎng)度及長(zhǎng)細(xì)比取值。

軸心壓桿；強(qiáng)度；穩(wěn)定；承載力；長(zhǎng)細(xì)比

1　引言

由于輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的特殊性，目前絕大多數(shù)都是采用空間桁架體系進(jìn)行分析計(jì)算的，通過大量的工程計(jì)算分析可知，對(duì)于軸心受壓桿件，基本上是由其穩(wěn)定強(qiáng)度控制的。桿件的失穩(wěn)是由于桿件屈曲突然失去穩(wěn)定平衡而垮掉的，其材料的應(yīng)力值一般達(dá)不到材料的抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，由于失穩(wěn)破壞是一種沒有預(yù)兆的，完全是由于桿件的變形突然失去穩(wěn)定平衡而失效的，所以失穩(wěn)破壞常常造成比較嚴(yán)重的后果。本文旨在分析對(duì)于不同材質(zhì)不同規(guī)格的角鋼在軸心受壓狀態(tài)下，通過分段長(zhǎng)度的合理取值，充分發(fā)揮鋼材的抗壓強(qiáng)度性能，使其穩(wěn)定強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，達(dá)到設(shè)計(jì)的合理與經(jīng)濟(jì)性。

2　桿件強(qiáng)度計(jì)算方法

對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，DL/T5154-2012[1]規(guī)定強(qiáng)度計(jì)算方法如下：

式中：N-為軸心壓力設(shè)計(jì)值；An-為構(gòu)件的凈截面面積；m-為構(gòu)件的強(qiáng)度折減系數(shù)，與構(gòu)件連接兩端的約束及偏心有關(guān)；f-為材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

同時(shí)，DL/T5154-2012[1]規(guī)定軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算公式為：

3　計(jì)算分析比較

輸電鐵塔結(jié)構(gòu)是按空間桁架體系進(jìn)行分析計(jì)算的，其中的軸心受壓桿件一般不考慮彎矩的影響，可按細(xì)長(zhǎng)的彈性壓桿來(lái)分析計(jì)算，即按照上面的公式進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的計(jì)算。一般而言，受壓桿件的穩(wěn)定是保證結(jié)構(gòu)整體安全的控制條件，在設(shè)計(jì)中，總是通過布置各種支撐桿件以減少主材的計(jì)算長(zhǎng)度，盡量使其穩(wěn)定強(qiáng)度能與其受壓強(qiáng)度相當(dāng)，充分發(fā)揮材料的特性，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)。

圖1和圖2的曲線分別表示了不同材質(zhì)L140×10與L200× 20角鋼隨長(zhǎng)度增加承載力下降變化關(guān)系。

從圖1～2中可以看出，隨著長(zhǎng)度的增加，各種材質(zhì)的軸心壓桿的承載力都是逐步下降的。強(qiáng)度越高，下降的速度越快，當(dāng)長(zhǎng)度大于4.0m后各種材質(zhì)的角鋼承載力基本相同。這主要是由于，在桿件計(jì)算長(zhǎng)度較小的時(shí)候，Q420高強(qiáng)鋼的穩(wěn)定強(qiáng)度比其他較低材質(zhì)的壓桿穩(wěn)定強(qiáng)度有明顯的提高，隨著桿件強(qiáng)度的增加，這種穩(wěn)定強(qiáng)度的提高隨即減小，直至消失。Q420屈服強(qiáng)度比Q345屈服強(qiáng)度高20%左右，但承載力的提高則從18%左右開始逐漸下降。即強(qiáng)度越高，穩(wěn)定系數(shù)降低得越快，穩(wěn)定強(qiáng)度也相應(yīng)的下降更快。

圖1　不同材質(zhì)角鋼隨長(zhǎng)度增加承載力下降圖<一>

圖2　不同材質(zhì)角鋼隨長(zhǎng)度增加承載力下降<二>

通過以上分析可知，不同材質(zhì)的鋼材在相應(yīng)的計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度是基本相當(dāng)?shù)模沙浞职l(fā)揮材料的性能。鋼材的屈服強(qiáng)度越高，隨著桿件計(jì)算長(zhǎng)度的增加，其穩(wěn)定強(qiáng)度衰減得更快。因此，實(shí)際應(yīng)用中不能一味的追求材料的強(qiáng)度，如何通過合理的優(yōu)化布置，盡量減小軸心壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度，提高其穩(wěn)定承載力是十分重要的。這與文獻(xiàn)[2]的結(jié)論是一致的。

同樣的問題也可通過長(zhǎng)細(xì)比來(lái)控制角鋼的使用情況，圖3和圖4分別為不同材質(zhì)L140×10與L200×20角鋼隨長(zhǎng)細(xì)比增加承載力變化關(guān)系圖。

圖3　不同材質(zhì)角鋼隨長(zhǎng)細(xì)比增加承載力下降圖<一>

圖4　不同材質(zhì)角鋼隨長(zhǎng)細(xì)比增加承載力下降圖<二>

從圖3～4中可以看出，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，各種鋼材的穩(wěn)定承載力都是逐步降低的，強(qiáng)度越高其下降的速度越快。長(zhǎng)細(xì)比超過100時(shí)，各種鋼材的穩(wěn)定承載力基本是相等的，同時(shí)其穩(wěn)定承載力值也非常低，此時(shí)，強(qiáng)度越高，軸心壓桿的材料強(qiáng)度承載力越不能得到充分發(fā)揮，材料的高強(qiáng)度則無(wú)法體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)來(lái)，此時(shí)軸心壓桿的破壞純屬失穩(wěn)破壞。

隨著軸心壓桿的長(zhǎng)細(xì)比的減小，其穩(wěn)定承載力是逐漸接近材料的抗壓強(qiáng)度承載力的，軸心壓桿的材料強(qiáng)度承載能力得到了一定程度的發(fā)揮，但還不是充分的，軸心壓桿的破壞仍然處于失穩(wěn)破壞的范疇。但此時(shí)采用屈服強(qiáng)度較高的鋼材，還是比較合理的。

當(dāng)軸心壓桿的長(zhǎng)細(xì)比處進(jìn)一步減小，使其穩(wěn)定承載力與抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)時(shí)，軸心壓桿的材料強(qiáng)度才得到比較充分的發(fā)揮，其破壞性質(zhì)屬?gòu)?qiáng)度破壞，但實(shí)際中這種情況是很少能完全實(shí)現(xiàn)的，所以基本上還是由穩(wěn)定控制的。文獻(xiàn)[3]通過軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)來(lái)比較分析得出結(jié)論：當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比增大時(shí)，同一規(guī)格Q420對(duì)Q345角鋼承載力的優(yōu)勢(shì)逐漸減小。當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比在40～80之間，Q420對(duì)Q345角鋼承載力提高約10～20%，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于120時(shí)，使用高強(qiáng)鋼則沒有帶來(lái)效益。

由以上分析可知，采用Q420鋼材時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)控制在30～50之間比較合理；采用Q345鋼材時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)控制在60～100之間；采用Q235鋼材時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)該大于100。這樣材料的強(qiáng)度可以得到較充分的發(fā)揮。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比大于100的軸心壓桿，其臨界應(yīng)力與材料強(qiáng)度是無(wú)關(guān)的，此時(shí)無(wú)論采用多么高強(qiáng)度的鋼種材料，其臨界應(yīng)力值是基本相等的，采用高強(qiáng)度鋼材是十分不經(jīng)濟(jì)的。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)中一般主材與斜材采用不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，塔身主材的長(zhǎng)細(xì)比λ宜控制在40～80之間；而斜材的長(zhǎng)細(xì)比λ則應(yīng)在100～200之間。

綜上所述，對(duì)于不同材質(zhì)、不同規(guī)格的角鋼都有一個(gè)比較合理的理論計(jì)算長(zhǎng)度，能使材料強(qiáng)度比較充分的發(fā)揮。本文對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)中常用做主材（軸心壓桿）的Q420與Q345角鋼進(jìn)行計(jì)算歸納，按照穩(wěn)定強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)?shù)脑瓌t來(lái)取計(jì)算長(zhǎng)度，作為實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)參考，結(jié)果如表1所示。

表1　不同材質(zhì)常用角鋼的理論最優(yōu)計(jì)算長(zhǎng)度

從表1可以看出，大部分角鋼計(jì)算長(zhǎng)度取值在1.0～1.5m之間能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，Q420的屈服強(qiáng)度高于Q345，其合理的計(jì)算長(zhǎng)度也相應(yīng)較小。同時(shí)，對(duì)于一些寬厚比較大角鋼，其穩(wěn)定強(qiáng)度折減的比較多，如表1中的L125×8、L160×10、L180×12等，對(duì)于這些角鋼采用高強(qiáng)度材質(zhì)則意義不大。

4　結(jié)論

（1）不同材質(zhì)的鋼材在各自一定的計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其材料的強(qiáng)度是能充分發(fā)揮的。高強(qiáng)鋼隨著桿件計(jì)算長(zhǎng)度的增加，其抗失穩(wěn)性能的衰減將更快。

（2）對(duì)于受力較大、長(zhǎng)細(xì)比較小的軸心受壓桿件，所采用鋼材的強(qiáng)度越高越有利，比如采用Q420材質(zhì)鋼材；而對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較大的桿件，高強(qiáng)鋼材的優(yōu)勢(shì)則不明顯。

（3）為了充分體現(xiàn)高強(qiáng)鋼的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于受力較大的軸心壓桿，其長(zhǎng)細(xì)比宜控制在30～50左右；對(duì)受力較小的軸心壓桿，其長(zhǎng)細(xì)比則應(yīng)控制在50～100之間較合理。

（4）實(shí)際設(shè)計(jì)中，可參考表1選擇合理的長(zhǎng)度進(jìn)行輸電鐵塔結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與布置。

[1]《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2012）[S].

[2]梁浩.Q420高強(qiáng)鋼在輸電線路鐵塔上的應(yīng)用研究[J].上海電力，2009，3：298～303.

[3]郭日彩，何長(zhǎng)華，等.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.

[4]李正良，劉紅軍，等.Q460高強(qiáng)鋼在1000kV桿塔的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（24）：1～5.

[5]施剛，劉釗，等.高強(qiáng)度角鋼軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法研究[J].工業(yè)建筑，200，39（6）：18～21.

TU391

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1673-0038（2015）18-0183-02

2015-4-12