輸電塔單角鋼桿件及節(jié)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(gòu)件的受力不同于矩形截面構(gòu)件，受力性能更為復(fù)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(gòu)件承載能力，構(gòu)件的穩(wěn)定性往往對角鋼承載能力起著決定性的作用。而國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017-2017[1]，相對前一版本《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017-2003[2]，對結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性設(shè)計做出了更為詳細的規(guī)定，受壓、受彎桿件強度穩(wěn)定性規(guī)范較為成熟，但是對單角鋼受壓構(gòu)件的設(shè)計規(guī)定仍比較缺乏，條件假設(shè)過于簡化，因此不少研究學者從輸電塔結(jié)構(gòu)的單角鋼單面連接構(gòu)件的強度、穩(wěn)定性、半剛性以及連接節(jié)點等方面深入研究[3-6]，針對現(xiàn)有單角鋼受壓構(gòu)件承載能力和連接節(jié)點設(shè)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(gòu)件承載能力研究基礎(chǔ)，提出后繼角鋼構(gòu)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(gòu)件承載力研究進展

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

我國規(guī)范GB 50017[1]關(guān)于軸心受力桿件，規(guī)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(wěn)定性計算方程：

式中：φ 軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)。

規(guī)范中，軸心受壓桿件穩(wěn)定系數(shù)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(qū)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(yīng)力等因素的影響，最大初始彎曲根據(jù)規(guī)定出廠條件取1/1000 角鋼長度，最大殘余應(yīng)力則參考（Kitipomchai & Lee 1986）取30%屈曲應(yīng)力進行控制，角鋼截面殘余應(yīng)力分布情況如圖2 所示。根據(jù)有限元分析得出單面連接角鋼設(shè)計的穩(wěn)定性折減系數(shù)。

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(yīng)力分布

近十幾年，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題得到不斷的發(fā)展[10-11]，輸電塔結(jié)構(gòu)相關(guān)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(jié)構(gòu)中等邊角鋼軸心受壓構(gòu)件，參照我國規(guī)范GB 50017和《美國輸電塔設(shè)計導(dǎo)則》ASCE 10-1997，推導(dǎo)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(guān)性研究了塔架交叉斜材的穩(wěn)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(tài)下拉壓比與交叉斜材極限承載力的關(guān)系。

2 角鋼構(gòu)件連接節(jié)點設(shè)計研究進展

曹現(xiàn)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(guī)范對比，設(shè)計值偏小。隨后，在對高強單角鋼兩端偏心受壓構(gòu)件的屈曲性能，分析可知構(gòu)件繞平行于連接板的軸線發(fā)生彎曲變形。楊俊芬，戰(zhàn)宇皓[20]等人對角鋼節(jié)點力學性能研究，發(fā)現(xiàn)彈性和極限范圍內(nèi)緊固力矩僅對節(jié)點滑移階段影響顯著，節(jié)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(jié)點強度和穩(wěn)定理論分析，提出了節(jié)點傳遞荷載系數(shù)。程睿，孫必祥[22-23]試驗數(shù)據(jù)驗證了現(xiàn)行規(guī)范對單角鋼連接節(jié)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(yù)緊，研究螺栓連接節(jié)點的半剛性。

3 結(jié)論

綜上所述，我國對輸電塔角鋼構(gòu)件及節(jié)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(gòu)件承載力理論和試驗研究，目前真型塔試驗結(jié)果任然較少，修正輸電塔角鋼穩(wěn)定承載力設(shè)計方法。

3.2 考慮節(jié)點半剛性約束條件的強弱，統(tǒng)一規(guī)范力學模型，提升輸電塔結(jié)構(gòu)設(shè)計實用性。

3.3 從不同受力性能狀態(tài)的角鋼桿端約束著手，改善現(xiàn)有角鋼構(gòu)件連接節(jié)點的匱乏問題，加強輸電塔結(jié)構(gòu)局部和整體的穩(wěn)定性，避免強風擾動破壞。