基于真型試驗的雙組合角鋼鐵塔設計研究

徐明鳴，尹 鵬

(1.湖南省電力勘測設計院， 湖南 長沙 410007；2.電力規劃設計總院，北京 100120)

1 試驗概況

某500kV雙回真型試驗塔全高52m，根開13.37m，整塔重量63.636t。塔身變坡處至塔腿主材采用十字截面雙組合高強角鋼，塔身主材規格為Q420 2L160×14及Q420 2L160×16，塔腿主材規格為Q420 2L160×16。雙組合角鋼節點處均采用雙面焊接填板，其余采用單填板螺栓連接。本試驗是輸電塔真型驗證試驗，地點為國網北京電力建設研究院桿塔試驗站，加荷點通過連有測力傳感器的鋼絲繩與加荷用液壓缸相連，加荷系統為液壓閉環自動加荷測控系統。位移測量采用全站儀，應變測量采用應變數據采集儀。

2 試驗內容及情況

根據設計，選擇了控制桿件較多和具有代表性的工況進行試驗。加荷級別按照相關規定【1】，一般工況加載順序為0－50%－75%－90%－95%－0，超載工況加載順序為 0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。

試驗塔順利通過8項一般工況試驗，在最后一項90度大風超載工況試驗中，垂直荷載加載至100%，橫向荷載加載至85%左右時，內角側兩塔腿主材先后都在第2節間處發生屈曲破壞，導致整塔傾斜倒塌。如圖1、2所示，真型試驗過程見表1。

圖1 內角側塔腿屈服

圖2 塔腿屈服點位置

表1 試驗工況及加載情況

3 試驗塔受力分析

3.1 屈服破壞點位置

通過試驗應變片數據分析可以發現，塔腿主材及輔助材應變變化很不均勻，塔腿斜材在不同節間應變不同，說明塔腿輔助材不再只起支撐作用，而參與到了塔腿的受力體系之中。

塔腿兩端剛度較強，中間輔助支撐材因參與塔腿受力體系后對主材的支撐效果與理論計算存在差異。另外由于底部固端次彎矩的作用，增加了彎曲應力，塔腿一但失穩屈曲破壞，首屈服點應該在塔腿中間區域且靠近塔腿板的位置。

3.2 組合角鋼受力不均勻

在鐵塔理論計算中，組合角鋼構件是按整體統一的理想化構件模式參與計算的，即假設組合角鋼兩肢受力均勻，無相對位移，能協調變形及共同抵抗外力。而通過試驗應變測值分析，組合角鋼兩肢存在應力差。實測結果為：塔身處主材兩肢應變差異較小，比例平均值約為1.06～1.12；而塔腿主材兩肢應變差異較大，90度大風工況時平均差異比例達1.62。試驗主要工況應變數據見表2，應變片布置見圖3。

表2 典型工況下主材應變值

圖3 應變片布置

基于試驗數據，90度大風試驗工況加載85%時，塔腿主材軸壓力為2190.5kN，按兩肢1∶1.62的受力分配比例，內側單肢壓力為1354.4kN，構件規格Q420 L160×16，最小軸回轉半徑為3.14cm，截面積為49.07cm2。根據相關技術規定【2】【3】，受壓構件穩定計算為：

式中：N為壓力設計值；φ為構件穩定系數；A為構件毛截面積；Mn為壓桿穩定輕強度折減系數。按最小軸失穩計算，單肢構件壓應力相對設計強度比值為1.33，相對屈服強度比值為1.21。可見雙組合角鋼的受力分配及變形破壞并非按理論計算所假設的情況。理論計算未考慮兩肢受力不均勻性，構件承載力理論設計值與試驗值存在差異，雙組合角鋼發生屈曲失穩破壞不是雙肢同時破壞，而應該是受力較大的單肢某點達到屈服強度而整體失穩破壞。

3.3 考慮組合角鋼長細比的修正

有專家提出，雙肢組合角鋼在軸心受壓時，其承載力會受到剪力引起的桿件變形影響。在鐵塔理論計算中未考慮這些因素，組合角鋼受壓長細比的取值及修正按構件兩端約束情況而定。在美國、英國和歐洲規范中，對于這樣的影響作用都是通過修正組合構件的整體長細比來完成的。這樣的修正原則都是通過大量的試驗、理論研究以及工程實踐得來的。由于目前我國對這方面的研究較少，也缺乏相關的理論總結，建議借鑒國外格構式組合角鋼的整體長細比修正方法。即：

式中：λ為組合構件整體長細比；λ1為單角鋼的長細比；λ0為相鄰填板間距與單角鋼最小軸回轉半徑的比值。理論計算表明，長細比越大，修正前后構件承載力差別越大。當長細比在30以內時，承載力差別基本在5%以內。

4 結語

(1)真型試驗表明，在鐵塔實際受力中組合角鋼雙肢具有受力不均勻性，且受力越大體現越明顯。固端次彎矩是引起此差異的主要原因，在鐵塔設計中應充分考慮。

(2)適當控制雙組合角鋼主材長細比，腿部主材長細比宜控制在30左右，塔身主材長細比宜控制在40左右，以提高雙組合角鋼主材承載能力。

(3)塔腿主材及輔助材設計時應考慮底部次彎矩所引起的附加應力。

(4)均勻布置填板及輔助材，減小構件受力偏心，從構造上保證主材剛度均勻變化，改善組合角鋼雙肢受力不均勻性。

(5)Q 420高強鋼材具有硬度大、強度高，但韌性相對較差，容易發生脆斷破壞。試驗表明高強鋼在抵抗變形及抵抗失穩屈曲等方面不如其抵抗強度破壞。

[1]DL/T 899-2004，架空線路桿塔結構荷載試驗[S].

[2]DL/T 5154-2002，架空送電線路桿塔結構設計技術規定 [S].

[3]李振寶，等.雙角鋼十字組合截面偏心受壓構件承載力試驗研究[J].建筑與結構設計，2009，(11).