柯 嘉，吳海洋，徐 彬，高 彬

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

大規(guī)格高強(qiáng)度角鋼構(gòu)件軸壓承載力計(jì)算方法研究

柯 嘉，吳海洋，徐 彬，高 彬

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

大規(guī)格高強(qiáng)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(duì)于大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計(jì)算方法尚缺乏深入研究。針對(duì)輸電線路工程常用的大角鋼構(gòu)件展開試驗(yàn)研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計(jì)算方法，并與國(guó)外主要規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明：該計(jì)算方法具有較好的可靠性。針對(duì)某輸電塔，分別按照b類截面、推薦計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用推薦計(jì)算方法設(shè)計(jì)時(shí)，輸電塔重可降低1.8%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

大規(guī)格高強(qiáng)度角鋼；軸壓承載力；試驗(yàn)；計(jì)算方法研究 。

1 概述

大規(guī)格高強(qiáng)度角鋼構(gòu)件(以下簡(jiǎn)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(duì)于大角鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)仍然采用與普通角鋼構(gòu)件相同的設(shè)計(jì)理論，即按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)的b類截面計(jì)算軸壓承載力。

在多個(gè)工程的鐵塔試驗(yàn)中，按照b類截面設(shè)計(jì)時(shí)，大角鋼均表現(xiàn)出較強(qiáng)的超載能力。有試驗(yàn)表明，按照b類截面設(shè)計(jì)時(shí)，按理論計(jì)算大角鋼構(gòu)件將在115%的設(shè)計(jì)荷載作用下破壞。但試驗(yàn)加載到設(shè)計(jì)荷載的130%時(shí)該構(gòu)件仍未破壞。顯然，按照目前的計(jì)算方法大角鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)偏于保守。在工程設(shè)計(jì)中，大角鋼構(gòu)件的高強(qiáng)承載力應(yīng)得到更為充分的利用，從而節(jié)省工程造價(jià)。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(duì)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(yàn)研究，與各國(guó)規(guī)范進(jìn)行比較，提出一種合理的大角鋼軸壓承載力計(jì)算方法。

2 試驗(yàn)概括

2.1 試件設(shè)計(jì)

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(zhǎng)細(xì)比一般為35～55，其肢寬一般為220 mm、250 mm。因此，用于軸壓試驗(yàn)的大角鋼試件截面規(guī)格、長(zhǎng)細(xì)比見(jiàn)下表。

表1 試件的截面規(guī)格和長(zhǎng)細(xì)比

為增加試驗(yàn)結(jié)果的可信性和統(tǒng)計(jì)性，對(duì)同一截面規(guī)格、同一長(zhǎng)細(xì)比，均采用三個(gè)相同試件進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共采用6種截面規(guī)格、5種長(zhǎng)細(xì)比，共90個(gè)試件。

2.2 材性試驗(yàn)

對(duì)每種截面規(guī)格的試件，采用3根標(biāo)準(zhǔn)棒材，進(jìn)行軸向拉伸，測(cè)量其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線。共進(jìn)行了6組18根標(biāo)準(zhǔn)棒材的軸向拉伸材性試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)棒材試樣加工圖見(jiàn)圖1。

圖1 用于材性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)棒材

根據(jù)材性試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)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(duì)每種截面規(guī)格的大角鋼試件，取不同的屈服強(qiáng)度f(wàn)y、極限強(qiáng)度f(wàn)u作為進(jìn)一步分析的依據(jù)。各截面規(guī)格大角鋼試件的屈服強(qiáng)度f(wàn)y、極限強(qiáng)度f(wàn)u見(jiàn)表2。

表2 各截面規(guī)格的材性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 加載方案和測(cè)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(jìn)行受力分析。因此，按照“兩端鉸接”的受力模型設(shè)計(jì)大角鋼構(gòu)件的加載方案，試件兩端采用球絞，加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

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

本次試驗(yàn)采用靜力分級(jí)加載的方法進(jìn)行。對(duì)于每一根大角鋼試件，在加載前使用有限元軟件ANSYS進(jìn)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(jí)數(shù)和每一級(jí)荷載的大小。

本試驗(yàn)的觀測(cè)內(nèi)容主要有：

(1)位移觀測(cè)：觀測(cè)試件的軸向變形和彎曲變形。在加載機(jī)上下端設(shè)置豎向位移表，用于觀測(cè)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(cè)試件的撓曲幅值，見(jiàn)圖3。

圖3 位移測(cè)量方案

(2)應(yīng)變測(cè)量：觀測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)設(shè)置于角鋼兩肢距邊緣10 mm處，見(jiàn)圖4。

圖4 應(yīng)變測(cè)量方案

3 試驗(yàn)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(gè)位移計(jì)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(jiàn)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(dāng)荷載達(dá)到某個(gè)值時(shí)，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(jiàn)，這表明構(gòu)件中部已進(jìn)入塑性，整個(gè)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(cè)量結(jié)果(彎曲失穩(wěn))

在加載過(guò)程中，少數(shù)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)另一種情況，即中部的一個(gè)位移計(jì)被壓縮、另一個(gè)位移計(jì)則延伸，即2～5面、4～6面的水平位移方向相反(見(jiàn)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(cè)量結(jié)果(彎扭失穩(wěn))

3.2 構(gòu)件軸壓承載力

根據(jù)實(shí)測(cè)的構(gòu)件截面積和屈服強(qiáng)度值，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)的b類截面計(jì)算各試件的軸壓承載力，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的構(gòu)件承載力進(jìn)行比較。L220×20等試件的軸壓承載力比較見(jiàn)圖7。

圖7 試件軸壓承載力比較

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

可見(jiàn)，按照b類截面計(jì)算的大角鋼構(gòu)件承載力明顯低于試驗(yàn)值，不能真實(shí)反映構(gòu)件的實(shí)際承載力。對(duì)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(jìn)行大角鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)偏于保守，需要針對(duì)大角鋼構(gòu)件提出一種更為合理的承載力計(jì)算方法。

4 大角鋼軸壓承載力計(jì)算方法

4.1 大角鋼軸壓承載力的推薦計(jì)算方法

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

實(shí)腹式大角鋼壓桿設(shè)計(jì)承載力N應(yīng)滿足：

式中：A為實(shí)腹式大角鋼壓桿總截面面積；f為

大角鋼壓桿鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(dāng)λn≤0.215時(shí)：

當(dāng)時(shí)：

式中：λn為正則化長(zhǎng)細(xì)比，

根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算參數(shù)α1、α2和α3進(jìn)行非線性擬合分析，確定其取值，見(jiàn)表3。

表3 系數(shù)取值

利用推薦計(jì)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(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)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(jì)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(dāng)。

4.2 推薦計(jì)算方法的評(píng)價(jià)

為更好的評(píng)價(jià)推薦公式的可靠性，針對(duì)試驗(yàn)研究涉及的所有截面規(guī)格、所有長(zhǎng)細(xì)比的構(gòu)件，分別按照我國(guó)規(guī)范(GB 50017—2003、DL/T 5154—2010) 的a、b類截面，美國(guó)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(guó)內(nèi)外主要規(guī)范進(jìn)行大角鋼構(gòu)件軸壓承載力計(jì)算。為方便比較，將構(gòu)件承載力進(jìn)行無(wú)量綱化，即對(duì)穩(wěn)定系數(shù)展開比較。

推薦公式、試驗(yàn)結(jié)果、各規(guī)范計(jì)算得到的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了比較見(jiàn)圖9。

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

從圖9可以看到：

(1)長(zhǎng)細(xì)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(yàn)結(jié)果，具有95%的保證率，說(shuō)明推薦公式具有較好的可靠性。

(2)長(zhǎng)細(xì)比35～55范圍內(nèi)，推薦公式和我國(guó)規(guī)范(GB20017、DL/T 5154)的a類截面、美國(guó)規(guī)范(ASCE、AISC)、澳大利亞規(guī)范(AS4100)計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)較為接近，均高于b類截面設(shè)計(jì)結(jié)果。ASCE等規(guī)范的計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(zhǎng)細(xì)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(jì)。

綜上所述，大角鋼受力性能好，甚至優(yōu)于我國(guó)規(guī)范a截面，采用推薦公式可以更真實(shí)的反映大角鋼的承載能力。從試驗(yàn)結(jié)果、國(guó)內(nèi)外規(guī)范比較來(lái)看，在長(zhǎng)細(xì)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(jì)。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

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

表4 按不同方式設(shè)計(jì)時(shí)，典型塔的主材規(guī)格對(duì)比

采用不同設(shè)計(jì)方法時(shí)，JC31152的塔重比較見(jiàn)表5。

表5 按不同方式設(shè)計(jì)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(jì)算方法設(shè)計(jì)時(shí)能夠較大幅度的降低塔材指標(biāo)。初步計(jì)算和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：采用推薦計(jì)算方法設(shè)計(jì)時(shí)，JC31152塔重可降低1.8%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

針對(duì)輸電線路工程中常用截面規(guī)格和長(zhǎng)細(xì)比的90根試件，展開大角鋼軸壓承載力試驗(yàn)研究，提出大角鋼軸壓承載力的推薦計(jì)算公式，并與各國(guó)規(guī)范進(jìn)行比較，得到以下結(jié)論：

(1) 軸壓試驗(yàn)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(yàn)表明，大角鋼構(gòu)件的軸壓實(shí)際承載力明顯高于b類截面(《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017－2003))計(jì)算值，按b類截面設(shè)計(jì)偏于保守。

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

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

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

4 結(jié)論

根據(jù)這篇文章的相關(guān)討論，可以知道，在進(jìn)行載波相位差分定位中，當(dāng)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間距離一定時(shí)，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(dāng)軌道誤差一定時(shí)，差分誤差改正項(xiàng)將隨著流動(dòng)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(gè)重要的結(jié)論：無(wú)論精度要求多高，由于基準(zhǔn)不一致所帶來(lái)的影響完全處在可以忽略的水平。當(dāng)使用精密星歷時(shí)的定位精度并不是本文所關(guān)心的問(wèn)題。在RTK中，還使用了一些其他的方法對(duì)各種誤差進(jìn)行削弱和消除，因此，當(dāng)使用廣播星歷或精密星歷，且基準(zhǔn)坐標(biāo)為CGCS2000時(shí)，由于基準(zhǔn)不一致而引起的誤差可以完全忽略。 同時(shí)也可以得到另外一個(gè)結(jié)論，即由于基準(zhǔn)(CGCS2000，IITRF 和WGS84)引起的誤差對(duì)于任何基于差分定位的定位方法均可以忽略不計(jì)。

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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(jì)研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51378401)，中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院科技項(xiàng)目(40－1A－KY201219－T01)。