關(guān)于角鋼塔兩端偏心受壓構(gòu)件穩(wěn)定承載力的研究

摘要：通過(guò)對(duì)角鋼塔兩端偏心受壓構(gòu)件的承載力性能有限元分析，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比較小時(shí)，以扭轉(zhuǎn)變形為主，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，繞平行軸彎曲變形的比重逐漸增加，進(jìn)而建議根據(jù)長(zhǎng)細(xì)比λ值大小來(lái)選擇計(jì)算方法的，這是對(duì)目前關(guān)于兩端偏心受壓構(gòu)件計(jì)算方式過(guò)于單一的有益探索，在工程實(shí)際中具有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：有限元；兩端偏心；長(zhǎng)細(xì)比；受壓構(gòu)件

角鋼塔是一種有降液管的板式塔。其鼓泡區(qū)是由相互并列的角鋼組成，角鋼的排列方向與液流方向平行。角鋼的尖角邊在下部，截面呈“V”字形，相鄰兩個(gè)角鋼之間有一定的柵縫，降液管與一般塔板相同。上一板的液體通過(guò)降液管流入“V”字形角鋼，而氣體則通過(guò)柵縫上升時(shí)與液體發(fā)生鼓泡，進(jìn)行傳質(zhì)過(guò)程，塔板上的氣液流動(dòng)狀態(tài)與篩板相仿。角鋼塔板壓降較小，氣相通量較大，塔板效率較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造方便，剛度較好。

一、模型設(shè)計(jì)

1.角鋼模型

輸電桿塔結(jié)構(gòu)中的K字型塔身斜材、塔腿斜材、橫膈面構(gòu)件以及橫擔(dān)主材等部位均為單面連接角鋼構(gòu)件，該類構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比范圍一般為70～120。對(duì)于兩端部均偏心連接的角鋼構(gòu)件，在簡(jiǎn)化時(shí)考慮到端部連接構(gòu)件對(duì)其繞Z軸的扭轉(zhuǎn)具有約束作用，在單面連接角鋼連接肢肢尖處加Y方向的鏈桿支撐，但并不限制繞X軸和Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 兩端偏心受壓角鋼計(jì)算模型

2.有限元模型

有限元分析時(shí)采用了殼單元。在ANSYS軟件的單元庫(kù)中，SHELL181單元是一種具有塑性變形能力的4節(jié)點(diǎn)空間殼單元，單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，分別是沿x、y、z方向平動(dòng)自由度及繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，該單元適合于模擬薄殼到中等厚度的殼，單元的幾何形狀、節(jié)點(diǎn)位置及坐標(biāo)如圖2所示。

圖2 殼單元坐標(biāo)及幾何形狀

3.殘余應(yīng)力

本文研究的構(gòu)件為熱軋型鋼，角鋼構(gòu)件的殘余應(yīng)力模式分布如圖4所示。圖中符號(hào)規(guī)定：正號(hào)為拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)為壓應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在個(gè)別試件中殘余應(yīng)力達(dá)到了構(gòu)件屈服強(qiáng)度的25%，因此本文取 值為0.3。

圖3 角鋼截面的殘余應(yīng)力分布

二、計(jì)算分析

本文對(duì)規(guī)格為L(zhǎng)125x8，屈服強(qiáng)度為Q345和Q235的兩端偏心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了分析計(jì)算，

對(duì)于兩端偏心受壓構(gòu)件，根據(jù)《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T5154-2012）規(guī)定，應(yīng)對(duì)該類構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行修正，長(zhǎng)細(xì)比修正系數(shù)為 。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)細(xì)比修正后的構(gòu)件按軸心受力構(gòu)件計(jì)算其極限承載力。

經(jīng)修訂的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）對(duì)單面連接的單角鋼做了具體規(guī)定，當(dāng)該類截面按照軸心受壓構(gòu)件計(jì)算時(shí)，應(yīng)乘以不大于1.0的強(qiáng)度折減系數(shù) ，經(jīng)過(guò)折減后可不考慮扭轉(zhuǎn)對(duì)承載力的影響。為便于與下面提到的壓彎構(gòu)件計(jì)算方法區(qū)別，此方法在本文中稱為鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法一，計(jì)算公式如下所示。

（1）

由于兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件受力狀態(tài)與壓彎構(gòu)件相同，本文按照壓彎構(gòu)件計(jì)算了兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件的承載力。計(jì)算采用了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算方法，本文中稱為鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法二，計(jì)算公式如下所示：

（2）

本文在分析中采用構(gòu)件長(zhǎng)度的1/1000來(lái)考慮初始彎曲和初始偏心對(duì)受壓構(gòu)件的影響。

表3列出了L125x8偏心受壓角鋼按桿塔技術(shù)規(guī)定、鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范、壓彎理論及ANSYS計(jì)算極限承載力。

可以看出，兩規(guī)范計(jì)算結(jié)果差別較大，對(duì)于屈服強(qiáng)度為Q235的角鋼偏壓構(gòu)件，按桿塔技術(shù)規(guī)定計(jì)算所得承載力要高于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算結(jié)果；對(duì)于屈服強(qiáng)度為Q345的角鋼偏壓構(gòu)件，在長(zhǎng)細(xì)比小于70的范圍內(nèi)，兩規(guī)范計(jì)算結(jié)果較為接近，在長(zhǎng)細(xì)比大于70的范圍內(nèi)，桿塔技術(shù)規(guī)定計(jì)算結(jié)果仍高于鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范。

ANSYS計(jì)算結(jié)果與桿塔技術(shù)規(guī)定及鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算結(jié)果差別較大。對(duì)于Q235鋼材，當(dāng)λ ≤ 70時(shí)，對(duì)于Q345鋼材，當(dāng)λ ≤ 50時(shí)，有限元計(jì)算承載力最低，桿塔技術(shù)規(guī)定計(jì)算結(jié)果最高，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算結(jié)果介于二者之間，按壓彎構(gòu)件理論計(jì)算結(jié)果與采用ANSYS計(jì)算結(jié)果最為接近。

由于兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件的承載力與其屈曲模態(tài)有關(guān)，因此，受壓角鋼構(gòu)件發(fā)生彎扭屈曲與彎曲屈曲長(zhǎng)細(xì)比分界線分為兩類，由于桿塔結(jié)構(gòu)中兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比一般在70～120之間，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比小于70的偏心受壓構(gòu)件建議按鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法二計(jì)算其承載力；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于70而小于軸心受壓構(gòu)件彎扭屈曲的長(zhǎng)細(xì)比分界線時(shí)，建議采用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法一；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于軸心受壓構(gòu)件彎扭屈曲的長(zhǎng)細(xì)比分界線時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法一較為保守，仍可按照桿塔技術(shù)規(guī)定對(duì)該類情況的構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論及建議

本文對(duì)兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件的承載力性能進(jìn)行了分析計(jì)算，與軸心受壓角鋼構(gòu)件相比，偏心受壓構(gòu)件均因彎扭屈曲而破壞，長(zhǎng)細(xì)比較小時(shí)，以扭轉(zhuǎn)變形為主，隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，繞平行軸彎曲變形的比重逐漸增加。通過(guò)對(duì)L125x8角鋼構(gòu)件承載力的分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)細(xì)比較小的范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果較為吻合，建議當(dāng)λ<70時(shí)采用該方法計(jì)算兩端偏心受壓角鋼構(gòu)件的承載力。由于承載力與其屈曲形式有密切的關(guān)系，文中根據(jù)軸心受壓構(gòu)件發(fā)生彎扭屈曲的長(zhǎng)細(xì)比分界線將長(zhǎng)細(xì)比分為兩個(gè)部分，當(dāng)λ≥70且小于該長(zhǎng)細(xì)比分界線時(shí)，建議采用鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范方法一計(jì)算其承載力。當(dāng)λ大于該長(zhǎng)細(xì)比分界線時(shí)，仍可按照桿塔技術(shù)規(guī)定對(duì)該類構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] DL/T5154-2012，《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[S].

[2] GB50017-2003，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].

[3] 歐陽(yáng)斌，張華.殘余應(yīng)力對(duì)軸心受壓桿件的影響探討[J].《南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)》，2004年第3期，