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            高強度大規格角鋼軸壓構件的特點
            日期:【2020-04-18 17:17】 瀏覽次數:【】次

            近年來,隨著我國電網特高壓“五交八直”和“五縱五橫”規劃項目的實施,對當前的輸電鐵塔建設提出了更高的要求。以往的鐵塔多采用肢寬在200mm以下、肢厚小于20mm的角鋼,由于其單根構件承載能力較低,導致鐵塔主材不得不采用雙拼或多拼組合角鋼。但采用此類組合截面的角鋼會存在煙臺角鋼間受力不均勻、實際承載力低于理論值、施工難度大等缺點,不僅提高了工程的造價,還會埋下一定的安全隱患。因此,為確保此類重要線路的正常運行同時兼顧經濟性要求,國內外的特高壓線路鐵塔工程現已逐步改用高強度大規格角鋼構件來替代雙拼或多拼組合角鋼構件。


            煙臺角鋼


            采用大角鋼作為輸電鐵塔等結構中的主要受壓構件,相比于采用多拼組合角鋼構件,具有整體性好、加工安裝簡便、運輸容易等優點,是電力建設的一個重要發展方向。目前對大角鋼軸壓構件的少量應用表明,大角鋼的承載力明顯高于現行設計規范的計算值。然而大角鋼的超強穩定承載力應如何合理計算,尚需進行更為深入的研究。


            高強度大規格角鋼構件,指材質強度等級不低于Q420級、肢寬不小于200mm、肢厚不小于16mm的角鋼構件。


            現有對高強鋼的研究表明,高強度鋼結構壓桿具有以下特點:


            1)高強度鋼材的屈服強度f y明顯高于常規Q235和Q345級材質的鋼材,使得高強度鋼材構件,具有很高的承載力。這項優勢在長度較短、失穩方式為彈塑性失穩的軸壓桿中體現得尤為明顯。


            2)高強度鋼材的材性曲線具有不同于常規Q235和Q345級材質的特性。鋼材屈強比f y/fu隨著鋼材強度等級的增大而明顯增大,這就表明高強度鋼材的延性隨著強度的提高而降低。通過本書的后續研究則發現,高強鋼材的這一材質特點,對大角鋼的軸壓整體穩定承載力,尤其是彈塑性失穩方式的軸壓角鋼承載力,有著十分重要的影響。


            3)對于高強度鋼構件,尤其是高強度角鋼軸壓構件,殘余應力對構件的不利影響要小于普通材質的軸壓構件。



            4)現有對不同截面類型的高強鋼結構軸壓構件,尤其是高強角鋼構件的研究表明,按現行規范計算得出的高強角鋼軸壓構件穩定承載力,是偏于保守的,不能真實反映高強角鋼軸壓構件的力學性能。


            高強鋼材的這些特點,使得高強鋼壓桿穩定性能不同于常規材質的鋼壓桿。而根據常規材質鋼材制定的國內外各現行設計規范,已不能很好地反映高強鋼壓桿的優異力學性能。


            現有對高強度、大規格角鋼受壓構件的少量研究中,已得到了大角鋼試件試驗承載力明顯高于國內外多部設計規范的結論。然而,現有對高強度大規格角鋼構件軸壓承載力的研究,仍有如下需要繼續完善的地方:


            1)目前僅針對截面規格為L220×20的大角鋼進行了軸壓試驗,而現在可選擇的大規格高強度角鋼的截面規格則較多。肢寬為220mm及250mm的大角鋼在市場上已較為多見;肢寬為300mm的大角鋼亦有生產。大角鋼構件的肢厚亦存在16~35mm等多種不同厚度。因此,對更多肢寬、肢厚的大角鋼軸壓構件進行試驗研究十分必要。


            2)目前較多研究者針對軸壓構件進行的試驗研究,在試件兩端設置球鉸或單刀鉸的情況下,均假定軸壓試件兩端為理想鉸接,而忽略試件兩端支座轉動剛度對軸壓試件計算長度的影響。事實上,試件兩端支座不可避免地存在不為0的轉動剛度,這將提高試件的極限承載力。在此情況下,通過試驗獲得的試件軸壓承載力,比兩端為鉸接試件的承載力高,直接取試驗值為承載能力是偏于危險的。因此,如何獲得實際試驗中軸壓構件的真實計算長度,需進行研究。


            3)現有對大角鋼軸壓構件的理論與數值分析,均考慮角鋼材性為理想彈塑性,而未考慮高強度鋼材在屈服以后的材質特性。事實上,由于高強度鋼材的屈服平臺非常短,其材質屈服后的力學表現,與常規Q235及Q345鋼材有明顯區別。高強鋼壓桿的屈服后強度是否值得利用,其材質特征對大角鋼軸壓承載力產生的影響應如何考慮,需進行研究。


            4)現有對大角鋼軸壓構件的理論與數值分析,均考慮角鋼截面殘余應力與屈服強度的比值為0.3,即σr/f y=0.3。而現有文獻對Q420等邊角鋼殘余應力的研究表明,Q420材質角鋼截面殘余應力與屈服強度的比值不超過0.15。因此,在對大角鋼的軸壓承載力進行理論與數值研究時,應充分考慮高強度角鋼殘余應力相對較低所引起的不利影響程度較殘余應力較高時為低這一特征。


            5)常規截面,尤其是常規尺寸的角鋼截面構件,在考慮扭轉時,往往不計截面的翹曲剛度。然而,當構件厚度較大時,構件在沿截面厚度方向也將產生翹曲變形,這種變形稱為次翹曲變形。大角鋼由于肢厚較厚,將存在較大的次翹曲剛度,這也不同于普通規格的角鋼。次翹曲剛度對大角鋼軸壓承載力的有利影響有待研究。


            高強度大規格角鋼因其較好的承載能力,以及相對于多拼角鋼構件而言的施工簡便、整體性強、傳力可靠等優點,具有廣闊的應用前景。尤其在高壓、特高壓輸電鐵塔結構等工程領域,采用大角鋼作為鐵塔主要受力構件,是電力發展的新趨勢。然而目前對該類構件超強承載力的研究并不充分。因此,對該類大規格高強度角鋼構件的軸壓穩定性能及其超強承載力計算方法進行研究,具有重要的學術意義。


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