吳海兵,葉愛民,白 強(qiáng),王松濤
(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計院有限公司,湖北 武漢 430071)
角鋼構(gòu)件廣泛應(yīng)用于輸電格構(gòu)式塔架中,失穩(wěn)是其作為壓桿的主要破壞模式。由于缺陷的客觀存在,角鋼的失穩(wěn)呈極值型,GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱鋼標(biāo))中,考慮了1/1 000 桿長的初彎曲和殘余應(yīng)力兩種缺陷對壓桿穩(wěn)定承載力的影響[1]。
但在輸電鐵塔角鋼構(gòu)件上除了上述兩種缺陷,還可能存在輔助抱桿孔、接地孔等孔洞缺陷。此外,在既有線路的改造加固項目中,也可能因改變節(jié)間布置而導(dǎo)致原構(gòu)件節(jié)點上的約束孔變?yōu)榉羌s束孔。
國內(nèi)外學(xué)者對冷彎薄壁型鋼構(gòu)件開孔承載力的研究[2-5]結(jié)果表明,孔洞對構(gòu)件穩(wěn)定承載力存在不容忽視的削弱效應(yīng)。某工程鐵塔真型試驗中也曾出現(xiàn)過構(gòu)件在輔助抱桿孔處發(fā)生破壞的現(xiàn)象,如圖1所示。
圖1 某工程鐵塔真型試驗開孔構(gòu)件破壞
國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)規(guī)范[1,6]僅考慮孔洞缺陷對角鋼構(gòu)件強(qiáng)度的削弱,而忽視了其對構(gòu)件受壓穩(wěn)定承載力的影響。冷彎薄壁型鋼領(lǐng)域雖有相關(guān)研究,但由于冷彎薄壁型鋼與軋制型鋼的屈曲模式不同,其研究結(jié)論無法直接應(yīng)用。
由于缺乏設(shè)計理論和規(guī)范的指導(dǎo),設(shè)計人員難以準(zhǔn)確把握孔洞對角鋼軸壓構(gòu)件承載力的影響,這給輸電線路的設(shè)計和運行造成了一定的安全隱患。本文借助有限元軟件ANSYS,探討開圓孔對單角鋼軸心受壓構(gòu)件極限承載力的影響。
需要說明的是,本文僅討論構(gòu)件中間非約束孔洞對其穩(wěn)定承載力的影響,對連接節(jié)點處的螺孔,因其在變形時屬于支座,對構(gòu)件的穩(wěn)定不產(chǎn)生實質(zhì)影響,故不做討論。
模型采用三維8 節(jié)點實體單元SOLID185 建模,該單元可考慮彈塑性和大變形,適用于存在局部開孔等特殊構(gòu)造的精細(xì)化有限元分析。
計算假定與鋼標(biāo)保持一致:鋼材本構(gòu)采用理想彈塑性模型,彈性模量取E=206 GPa;桿件端部約束為兩端鉸接;不考慮初偏心和桿件自重的影響;初始缺陷考慮1/1 000 桿長初彎曲和截面殘余應(yīng)力;殘余應(yīng)力分布為肢中部拉應(yīng)力,邊緣壓應(yīng)力,峰值取為Q235 鋼材屈服強(qiáng)度的20%[7-8],沿桿長各截面分布相同。
有限元模型如圖2 所示,為模擬構(gòu)件的兩端鉸接約束,采用多點約束(MPC)技術(shù),在模型兩端各添加一個參考點,分別與角鋼兩端截面耦合,約束和荷載均施加在相應(yīng)的參考點上。為盡可能準(zhǔn)確地模擬孔邊的應(yīng)力狀態(tài),對開孔局部進(jìn)行了網(wǎng)格加密。
圖2 構(gòu)件開孔的有限元模型
開孔角鋼軸壓構(gòu)件極限狀態(tài)下的典型應(yīng)力云圖如圖3 所示,其破壞模式表現(xiàn)為與無孔構(gòu)件類似的繞截面最小軸的整體彎曲屈曲。與無孔構(gòu)件不同的是,圓孔的應(yīng)力集中效應(yīng)導(dǎo)致在加載過程中,孔邊的部分單元率先屈服,從而削弱了開孔截面處的截面剛度,導(dǎo)致構(gòu)件屈曲時最大變形可能出現(xiàn)在開孔截面而非跨中截面處,構(gòu)件的承載力也較無孔構(gòu)件有所降低。
圖3 開孔角鋼軸壓構(gòu)件的典型應(yīng)力云圖
孔洞對構(gòu)件承載力的削弱效應(yīng)與開孔位置、大小、構(gòu)件長細(xì)比等多種因素相關(guān)。為定量研究各因素的影響,考慮到輸電線路孔洞缺陷一般出現(xiàn)在主材上,選取主材規(guī)格、構(gòu)件長細(xì)比、孔端距、孔邊距4 個參數(shù)為考察對象,每個參數(shù)取3個水平,共81個試件進(jìn)行參數(shù)化有限元計算,角鋼構(gòu)件開孔參數(shù)示意如圖4所示。
圖4 角鋼構(gòu)件開孔參數(shù)
計算參數(shù)及結(jié)果如表1所示。
表1 開孔角鋼構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)計算值
由表1可見:
1)不開孔角鋼構(gòu)件三種截面的穩(wěn)定承載力計算值基本一致,與鋼標(biāo)a類曲線差異僅1%~3%,計算精度較好。
2)考慮按鋼標(biāo)對開孔構(gòu)件進(jìn)行凈截面強(qiáng)度驗算時,三種規(guī)格(從小到大)的凈截面強(qiáng)度系數(shù)(凈截面強(qiáng)度與毛截面強(qiáng)度之比)分別為(0.821,0.860,0.888),而其穩(wěn)定系數(shù)計算值均小于凈截面強(qiáng)度系數(shù),可見僅驗算開孔構(gòu)件的凈截面強(qiáng)度偏于不安全。
3)角鋼構(gòu)件開孔后,穩(wěn)定承載力的最大降低幅度高達(dá)約18%??梢娫谠O(shè)計中忽視開孔對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響也存在一定安全隱患,尤其是按新鋼標(biāo)規(guī)定,將高強(qiáng)角鋼視為a類截面時。
4)構(gòu)件長細(xì)比、規(guī)格、開孔位置對其承載力的降低幅度均有一定影響。由于計算孔徑始終不變,不同規(guī)格開孔后穩(wěn)定系數(shù)的差異可理解為開孔大小的影響。
不同長細(xì)比下,各開孔位置穩(wěn)定系數(shù)降低幅度的平均值如圖5所示。
圖5 構(gòu)件長細(xì)比的影響
可見,長細(xì)比對開孔構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響較大,同一構(gòu)件不同長細(xì)比下的穩(wěn)定系數(shù)降低幅度極差達(dá)到4%~10%。長細(xì)比越小,開孔沿構(gòu)件長度方向的相對范圍越大,對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響程度越高。
從變化趨勢看,開孔對構(gòu)件穩(wěn)定承載力影響程度的變化幅度也隨長細(xì)比的增大而逐漸降低,如L200×16 角鋼,長細(xì)比從50 變化到70 時,穩(wěn)定系數(shù)的降低幅度基本不變。
不同規(guī)格下,各開孔位置穩(wěn)定系數(shù)降低幅度的平均值如圖6 所示??梢?,長細(xì)比和開孔位置相同時,相對孔徑越大,孔邊應(yīng)力集中的范圍越大,構(gòu)件的削弱越嚴(yán)重,穩(wěn)定系數(shù)的降低幅度也越大,且開孔大小的影響隨長細(xì)比的增加而逐漸減小。
圖6 開孔大小的影響
2.3.1 孔端距的影響
由圖7 可見,不同長細(xì)比下,不同孔端距的構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)降低幅度變化規(guī)律基本相同。長細(xì)比為50時,不同孔端距下構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)的降低幅度如圖7所示。
圖7 孔端距的影響
可見,開孔離支座越近,構(gòu)件穩(wěn)定承載力降低幅度越小,開孔位于跨中時,穩(wěn)定承載力最低。但不同孔端距穩(wěn)定系數(shù)降低幅度的極差僅約4%,可見孔端距的影響并不顯著。
2.3.2 孔邊距的影響
由圖8 可見,不同長細(xì)比下,不同孔邊距的構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)降低幅度變化規(guī)律基本相同。長細(xì)比為50時,不同孔邊距下構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)的降低幅度如圖8所示。
圖8 孔邊距的影響
可見,開孔越靠近角鋼肢尖,構(gòu)件受壓承載力降幅越大,且角鋼規(guī)格越小,不同孔邊距的降低幅度極差越大,孔邊距的影響越大。
孔邊距影響較為顯著的原因,一方面是因為應(yīng)力集中的位置靠近構(gòu)件邊界時,孔與邊界的相互干涉會加劇應(yīng)力集中程度[9],另一方面,開孔越靠近肢尖對截面的慣性矩削弱越大。
角鋼的受壓承載力與開孔位置關(guān)系密切,這也充分證明了不能簡單將開孔對角鋼承載力的影響視為強(qiáng)度問題。
考慮到工程中常有構(gòu)件單肢開孔或雙肢開多個孔的情況,針對規(guī)格為L160×12,開孔端距為L/2 的構(gòu)件,補(bǔ)充計算其僅在單肢開一個孔和在雙肢上均開兩個孔(孔中心距3d)的情況,結(jié)果如表2所示。
表2 不同開孔數(shù)量的角鋼穩(wěn)定系數(shù)計算值
各開孔數(shù)量下構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)降低幅度如圖9所示。
圖9 開孔數(shù)量的影響
可見,沿桿件橫截面方向和桿軸方向的開孔數(shù)量越多,對構(gòu)件的削弱程度越大,構(gòu)件穩(wěn)定承載力的降低幅度也越大,且孔邊距越靠近肢尖、長細(xì)比越小,開孔數(shù)量的影響越大。
開孔將導(dǎo)致構(gòu)件屈曲時應(yīng)力和變形往孔邊集中,構(gòu)件屈曲時最大變形由跨中向開孔截面位置轉(zhuǎn)移。
對受壓強(qiáng)度控制的開孔構(gòu)件(毛截面穩(wěn)定承載力大于凈截面強(qiáng)度),僅驗算其凈截面強(qiáng)度偏于不安全。
對受壓穩(wěn)定控制的開孔構(gòu)件,開孔對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響同樣不容忽視。構(gòu)件長細(xì)比、開孔大小、位置和數(shù)量均對角鋼的穩(wěn)定承載力存在一定影響。
長細(xì)比越大,開孔對構(gòu)件承載力的影響越低;開孔越大、數(shù)量越多,構(gòu)件承載力越低;開孔距角鋼肢尖越近、距節(jié)點越遠(yuǎn),構(gòu)件承載力越低。
設(shè)計中建議盡量避免對受壓構(gòu)件開自由孔,否則應(yīng)驗算其穩(wěn)定承載力,并盡量使開孔遠(yuǎn)離肢尖并靠近節(jié)點。