Q420雙角鋼組合截面偏壓構件彈塑性彎曲屈曲

摘 要：通過試驗研究了特高壓輸電塔塔身主材規格為L160×12、L160×14、L160×16的3種Q420高強雙角鋼十字組合截面偏壓構件的破壞模式，試驗結果表明此種構件均以整體彈塑性彎曲屈曲破壞為主。基于改進逆算單元長度法編制相應程序，計算得到了這3種角鋼規格在不同長細比并考慮殘余應力情況下截面的彎矩軸力相關曲線，提出適用于此類截面形式的彎矩作用平面內穩定的建議計算公式及柱子曲線。引用的非線性冪函數模型能較好的反映此類偏壓構件在等端彎矩受力作用下桿件端部彎矩與桿端轉角的彎矩轉角關系。

關鍵詞：高強鋼；組合截面；彈塑性；單元長度法；穩定

中圖分類號：TU391 文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2012）05001205

隨著電力需求的不斷增長，電網技術的持續進步，特高壓工程、750、500 kV雙回路及多回路工程越來越多[12]，輸電線路鐵塔向大型化發展，桿塔設計荷載也越來越大，常用熱軋角鋼在強度和規格上都難以滿足大荷載桿塔的使用要求。高強雙角鋼組合截面構件施工、安裝簡便，是應用最多的組合截面形式[35]。此種構件用填板和螺栓將2個角鋼組合在一起，可近似看作實腹式構件也可看作格構式構件。目前輸電塔中此種構件的截面設計方法仍處于積累經驗和探索階段[67]。因此基于高強度雙組合角鋼的研究對于以后的工程建設、保障工程的運行安全，提高經濟效益具有十分重要的意義。

在以往的工程設計中，因為電壓等級低、負荷小，鐵塔桿件很少遇到雙組合角鋼情況，對于目前輸電塔中采用的雙角鋼組合截面構件，中國相關規程規范對其連接及連接型式并沒有作出詳細的規定，其他國家的規程規范也是如此[89]。筆者基于改進逆算單元長度法[10]，編制相應程序，計算得到了Q420角鋼規格為L160×12、L160×14、L160×16在不同長細比并考慮殘余應力[11]影響情況下截面的彎矩軸力相關曲線及給出建議的平面內穩定計算公式和相關的柱子曲線[1215]。并引用Kishi等[16]所提出的冪函數Mθ模型來表示偏壓等端彎矩作用下桿件端部彎矩M與桿端轉角θ的非線性Mθ關系。1 試驗概況

試驗構件為L160×12、L160×14、L160×16的3種規格雙角鋼十字組合截面構件，材質為Q420高強鋼。對應的填板厚度分別為12、14、16 mm，填板材質為Q345。對每種角鋼型號采用一字型填板連接。連接方式如圖1（a），偏心加載裝置示意圖如圖1（b），裝置示意圖如圖1（c），實際裝置圖如圖1（d）。

2 試驗結果

整個加載過程為單調靜力加載，從加載到雙角鋼十字組合截面偏心受壓構件破壞的整個過程如下：加載初期，構件變形不明顯；隨著荷載的增加，構件1/2長度截面周圍，在角鋼肢尖邊緣出現局部屈曲，并逐漸向整體屈曲過渡，此時構件并未破壞，還能繼續承受荷載；隨荷載進一步增加，構件發生以整體彎曲屈曲為主的破壞。加載過程中由于構件的初彎曲、荷載作用的初偏心、加工過程中引起的殘余應力及材料本身的不均勻性等初始缺陷的影響，導致同一種試驗方案中的個別試件與其它試件的破壞現象有一定的差別，但總體情況比較一致。不論邊界條件和結構形式如何，雙角鋼組合截面構件都不會發生以扭轉為主的破壞。一是因為構件b/t不夠大，二是因為此類開口薄壁構件只要某一肢發生翹曲，整個構件馬上喪失承載能力發生整體彎曲破壞，來不及發生扭轉。構件實際試驗中破壞形式示例如圖2。

俞登科，等：Q420雙角鋼組合截面偏壓構件彈塑性彎曲屈曲〖=〗3 改進逆算單元長度法

對于實際雙角鋼組合截面偏壓構件，要考慮諸多因素，例如殘余應力分析，構件的幾何缺陷、端部約束，不同荷載作用條件及構件的二階效應等都會影響實際承載能力。這樣解析法就會由于所作的一些假定而無法得到精確結果。這時就需要借助于數值法來求解。對于角鋼之間的填板，由于其主要作用是連接2個角鋼，對承載力的提高作用有限，因此在進行數值分析時不予考慮，將組合角鋼截面看作實腹式構件。

3.1 基本假定

采用平截面假定和理想彈塑性假定，即彎曲前的平截面在彎曲后仍為平面，并且取用圖3所示的鋼材的應力應變關系。殘余應力按圖4采用，其中的β根據構件的不同可取0.15～0.3，板件的兩端部分為壓應力，中間部分為拉應力。

3.2 軸力P彎矩M曲率Φ的關系

在計算ΜΡΦ關系曲線時，須將雙角鋼截面劃分為足夠多的單元并且先確定單元的應變，再根據鋼材的應力應變關系確定單元應力。計算的主要目的是建立截面的內力與變形之間的數值計算結果。將雙角鋼組合截面劃分成有限個單元，如圖5所示，單元面積為Ai，截面任一點的應變是軸力引起的應變ε0，彎曲應變Φzi和殘余應變εri=σri/E的代數和，即

如果截面處在彈性狀態，則偏壓構件和受彎構件一樣，彎矩和曲率呈正比關系，與軸心壓力完全無關。但是在彈塑性狀態，因各截面塑性發展的程度不同，彎矩與曲率的關系還與軸心壓力有關。此時，已經屈服的單元應力與應變不再呈比例關系，ΜΡΦ關系需要通過數值積分獲得，而截面劃分單元的數量將會影響計算結果的精確度及工作量。以εy=σy/E表示屈服應變，任一單元面積上Ai的應力均取其平均值。

段長固定取為a=10 mm。由已知桿端彎矩M0通過前面得到的ΜΡΦ關系曲線查得對應曲率Φ0。并且設桿端初始轉角為θ0。按照式（6）～（8）循環計算直到θm=0為止，循環次數記為m，則此時得到桿件長度為L=2 ma。在固定軸力N0和端彎矩M0不變的前提下不斷改變端轉角θ0可求得許多對應不同的桿長L，直至Li+1

圖6 相關曲線

由圖6所示相關曲線可見，彎矩越大，則殘余應力的不利影響愈小，對于短粗的桿，在相當范圍內還起到了有力影響。繪制得到很多組λ的NNpMMp相關曲線后，再借用邊緣屈服準則導出的相關公式的形式NφxA+MWpf（1-βNNE）=fy對上訴曲線進行擬合。建議取β為0.5，Wp=γxW1x（考慮塑性部分深入），塑性部分發展系數γx取為1.02，則得到彎矩作用平面內穩定的計算式：

通過以上分析可以得到如下結論：

1）雙角鋼十字組合截面偏心受壓構件破壞模式以整體平面內彎曲屈曲破壞為主。

2）采用改進逆算單元長度法得出平面內穩定的建議計算式（9），取β為0.5，塑性部分發展系數γx為1.02。

3）對于所研究規格的雙角鋼偏壓構件桿件端部彎矩M與桿端轉角θ的非線性Mθ關系建議采用Kishi和Chen所提出的冪函數模型作為設計參考。

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（編輯 胡英奎）doi：10.3969/j.issn.16744764.2012.05.004