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        輸電塔單角鋼桿件及節(jié)點(diǎn)承載力研究進(jìn)展綜述

        2021-01-20 08:43:44肖云鳳楊靜怡葛懷薇
        關(guān)鍵詞:軸心角鋼桿件

        肖云鳳 華 超 楊靜怡 葛懷薇

        (重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,重慶401331)

        對(duì)于單角鋼截面構(gòu)件的受力不同于矩形截面構(gòu)件,受力性能更為復(fù)雜,等肢角鋼其截面特性為單軸對(duì)稱,截面形心位于面外(角鋼截面特征如圖1 所示),除了強(qiáng)度破壞影響構(gòu)件承載能力,構(gòu)件的穩(wěn)定性往往對(duì)角鋼承載能力起著決定性的作用。而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2017[1],相對(duì)前一版本《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003[2],對(duì)結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)做出了更為詳細(xì)的規(guī)定,受壓、受彎桿件強(qiáng)度穩(wěn)定性規(guī)范較為成熟,但是對(duì)單角鋼受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)定仍比較缺乏,條件假設(shè)過于簡(jiǎn)化,因此不少研究學(xué)者從輸電塔結(jié)構(gòu)的單角鋼單面連接構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、半剛性以及連接節(jié)點(diǎn)等方面深入研究[3-6],針對(duì)現(xiàn)有單角鋼受壓構(gòu)件承載能力和連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展情況,進(jìn)行文獻(xiàn)研究進(jìn)展對(duì)比分析,闡述角鋼構(gòu)件承載能力研究基礎(chǔ),提出后繼角鋼構(gòu)件承載力研究建議。

        圖1 等肢角鋼截面特性

        1 單角鋼受壓構(gòu)件承載力研究進(jìn)展

        在1744 年,Eular 首次提出了關(guān)于彎曲屈曲模式的第一彈性穩(wěn)定性問題。隨著鋼材的推廣使用,出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)桿件,根據(jù)不同桿端約束條件劃分的細(xì)長(zhǎng)壓桿歐拉公式得以廣泛應(yīng)用。十九世紀(jì)后期,Engesser F 提出了切線模量,后又提出雙模量理論。1946 年,Shanley F.R[3]建立屈服荷載和撓度的關(guān)系,論證了雙模量荷載理論。

        我國(guó)規(guī)范GB 50017[1]關(guān)于軸心受力桿件,規(guī)定強(qiáng)度計(jì)算方程:

        式中:N——軸心拉力或思心壓力;

        An——凈截面面積;

        穩(wěn)定性計(jì)算方程:

        式中:φ 軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)。

        規(guī)范中,軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)由李開禧和肖余徽[7-8]通過逆算單元長(zhǎng)度法計(jì)算得到,并區(qū)分a、b、c 和d 等四類不同截面類型的柱子曲線。

        2005 年,康強(qiáng)文[9]通過有限元方法分析了單肢單面連接角鋼的彈塑性極限承載能力,其考慮了初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力等因素的影響,最大初始彎曲根據(jù)規(guī)定出廠條件取1/1000 角鋼長(zhǎng)度,最大殘余應(yīng)力則參考(Kitipomchai & Lee 1986)取30%屈曲應(yīng)力進(jìn)行控制,角鋼截面殘余應(yīng)力分布情況如圖2 所示。根據(jù)有限元分析得出單面連接角鋼設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性折減系數(shù)。

        式中:λ 為角鋼計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比λ=0.9 L /iv

        圖2 角鋼截面殘余應(yīng)力分布

        近十幾年,鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題得到不斷的發(fā)展[10-11],輸電塔結(jié)構(gòu)相關(guān)試驗(yàn)和有限元研究不斷豐富[12-13]。2009 年,郝際平[14]等人對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中等邊角鋼軸心受壓構(gòu)件,參照我國(guó)規(guī)范GB 50017和《美國(guó)輸電塔設(shè)計(jì)導(dǎo)則》ASCE 10-1997,推導(dǎo)了桿件寬厚比限值的計(jì)算公式。2011 年,陳紹蕃[15]考慮屈曲相關(guān)性研究了塔架交叉斜材的穩(wěn)定承載力。2020 年,劉洪義、李正良[16]等人通過真型塔實(shí)驗(yàn)得到了一拉一壓受力狀態(tài)下拉壓比與交叉斜材極限承載力的關(guān)系。

        2 角鋼構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

        曹現(xiàn)雷,郝際平[17-19]通過高強(qiáng)角鋼單邊連接壓桿承載力研究,得到大長(zhǎng)細(xì)比屈曲荷載與美國(guó)規(guī)范對(duì)比,設(shè)計(jì)值偏小。隨后,在對(duì)高強(qiáng)單角鋼兩端偏心受壓構(gòu)件的屈曲性能,分析可知構(gòu)件繞平行于連接板的軸線發(fā)生彎曲變形。楊俊芬,戰(zhàn)宇皓[20]等人對(duì)角鋼節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究,發(fā)現(xiàn)彈性和極限范圍內(nèi)緊固力矩僅對(duì)節(jié)點(diǎn)滑移階段影響顯著,節(jié)點(diǎn)后承載能力影響較小。2016 年,楊垂瑋,孟憲橋[21]建立力學(xué)模型對(duì)架空輸電塔中單雙角鋼變換節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和穩(wěn)定理論分析,提出了節(jié)點(diǎn)傳遞荷載系數(shù)。程睿,孫必祥[22-23]試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了現(xiàn)行規(guī)范對(duì)單角鋼連接節(jié)點(diǎn)板承載能力的適用性。胡飛飛[24]等人采用侵入法模擬螺栓預(yù)緊,研究螺栓連接節(jié)點(diǎn)的半剛性。

        3 結(jié)論

        綜上所述,我國(guó)對(duì)輸電塔角鋼構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)承載力研究仍有很多不完善之處,建議可從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步開展研究工作:

        3.1 深入單角鋼構(gòu)件承載力理論和試驗(yàn)研究,目前真型塔試驗(yàn)結(jié)果任然較少,修正輸電塔角鋼穩(wěn)定承載力設(shè)計(jì)方法。

        3.2 考慮節(jié)點(diǎn)半剛性約束條件的強(qiáng)弱,統(tǒng)一規(guī)范力學(xué)模型,提升輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用性。

        3.3 從不同受力性能狀態(tài)的角鋼桿端約束著手,改善現(xiàn)有角鋼構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的匱乏問題,加強(qiáng)輸電塔結(jié)構(gòu)局部和整體的穩(wěn)定性,避免強(qiáng)風(fēng)擾動(dòng)破壞。

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