輸電塔單角鋼桿件及節點承載力研究進展綜述

肖云鳳 華 超 楊靜怡 葛懷薇

（重慶科技學院建筑工程學院，重慶401331）

對于單角鋼截面構件的受力不同于矩形截面構件，受力性能更為復雜，等肢角鋼其截面特性為單軸對稱，截面形心位于面外（角鋼截面特征如圖1 所示），除了強度破壞影響構件承載能力，構件的穩定性往往對角鋼承載能力起著決定性的作用。而國內現有設計規范《鋼結構設計規范》GB 50017-2017[1]，相對前一版本《鋼結構設計規范》GB 50017-2003[2]，對結構分析與穩定性設計做出了更為詳細的規定，受壓、受彎桿件強度穩定性規范較為成熟，但是對單角鋼受壓構件的設計規定仍比較缺乏，條件假設過于簡化，因此不少研究學者從輸電塔結構的單角鋼單面連接構件的強度、穩定性、半剛性以及連接節點等方面深入研究[3-6]，針對現有單角鋼受壓構件承載能力和連接節點設計的研究進展情況，進行文獻研究進展對比分析，闡述角鋼構件承載能力研究基礎，提出后繼角鋼構件承載力研究建議。

圖1 等肢角鋼截面特性

1 單角鋼受壓構件承載力研究進展

在1744 年，Eular 首次提出了關于彎曲屈曲模式的第一彈性穩定性問題。隨著鋼材的推廣使用，出現細長桿件，根據不同桿端約束條件劃分的細長壓桿歐拉公式得以廣泛應用。十九世紀后期，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系，論證了雙模量荷載理論。

我國規范GB 50017[1]關于軸心受力桿件，規定強度計算方程：

式中：N——軸心拉力或思心壓力；

An——凈截面面積；

穩定性計算方程：

式中：φ 軸心受壓桿件的穩定系數。

規范中，軸心受壓桿件穩定系數由李開禧和肖余徽[7-8]通過逆算單元長度法計算得到，并區分a、b、c 和d 等四類不同截面類型的柱子曲線。

2005 年，康強文[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力等因素的影響，最大初始彎曲根據規定出廠條件取1/1000 角鋼長度，最大殘余應力則參考（Kitipomchai & Lee 1986）取30%屈曲應力進行控制，角鋼截面殘余應力分布情況如圖2 所示。根據有限元分析得出單面連接角鋼設計的穩定性折減系數。

式中：λ 為角鋼計算長細比λ=0.9 L /iv

圖2 角鋼截面殘余應力分布

近十幾年，鋼結構穩定性問題得到不斷的發展[10-11]，輸電塔結構相關試驗和有限元研究不斷豐富[12-13]。2009 年，郝際平[14]等人對鋼結構中等邊角鋼軸心受壓構件，參照我國規范GB 50017和《美國輸電塔設計導則》ASCE 10-1997，推導了桿件寬厚比限值的計算公式。2011 年，陳紹蕃[15]考慮屈曲相關性研究了塔架交叉斜材的穩定承載力。2020 年，劉洪義、李正良[16]等人通過真型塔實驗得到了一拉一壓受力狀態下拉壓比與交叉斜材極限承載力的關系。

2 角鋼構件連接節點設計研究進展

曹現雷，郝際平[17-19]通過高強角鋼單邊連接壓桿承載力研究，得到大長細比屈曲荷載與美國規范對比，設計值偏小。隨后，在對高強單角鋼兩端偏心受壓構件的屈曲性能，分析可知構件繞平行于連接板的軸線發生彎曲變形。楊俊芬，戰宇皓[20]等人對角鋼節點力學性能研究，發現彈性和極限范圍內緊固力矩僅對節點滑移階段影響顯著，節點后承載能力影響較小。2016 年，楊垂瑋，孟憲橋[21]建立力學模型對架空輸電塔中單雙角鋼變換節點強度和穩定理論分析，提出了節點傳遞荷載系數。程睿，孫必祥[22-23]試驗數據驗證了現行規范對單角鋼連接節點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緊，研究螺栓連接節點的半剛性。

3 結論

綜上所述，我國對輸電塔角鋼構件及節點承載力研究仍有很多不完善之處，建議可從以下幾個方面進一步開展研究工作：

3.1 深入單角鋼構件承載力理論和試驗研究，目前真型塔試驗結果任然較少，修正輸電塔角鋼穩定承載力設計方法。

3.2 考慮節點半剛性約束條件的強弱，統一規范力學模型，提升輸電塔結構設計實用性。

3.3 從不同受力性能狀態的角鋼桿端約束著手，改善現有角鋼構件連接節點的匱乏問題，加強輸電塔結構局部和整體的穩定性，避免強風擾動破壞。