高强度大规格角钢轴压构件的特点和工程价值

2018 年 3 月 16 日 科学出版社 郭耀杰等

近年来，随着我国电网特高压“五交八直”和“五纵五横”规划项目的实施，对当前的输电铁塔建设提出了更高的要求。以往的铁塔多采用肢宽在200mm以下、肢厚小于20mm的角钢，由于其单根构件承载能力较低，导致铁塔主材不得不采用双拼或多拼组合角钢。但采用此类组合截面的角钢会存在角钢间受力不均匀、实际承载力低于理论值、施工难度大等缺点，不仅提高了工程的造价，还会埋下一定的安全隐患。因此，为确保此类重要线路的正常运行同时兼顾经济性要求，国内外的特高压线路铁塔工程现已逐步改用高强度大规格角钢构件来替代双拼或多拼组合角钢构件。

采用大角钢作为输电铁塔等结构中的主要受压构件，相比于采用多拼组合角钢构件，具有整体性好、加工安装简便、运输容易等优点，是电力建设的一个重要发展方向。目前对大角钢轴压构件的少量应用表明，大角钢的承载力明显高于现行设计规范的计算值。然而大角钢的超强稳定承载力应如何合理计算，尚需进行更为深入的研究。

高强度大规格角钢构件，指材质强度等级不低于Q420级、肢宽不小于200mm、肢厚不小于16mm的角钢构件。

现有对高强钢的研究表明，高强度钢结构压杆具有以下特点：

1）高强度钢材的屈服强度f_y明显高于常规Q235和Q345级材质的钢材，使得高强度钢材构件，具有很高的承载力。这项优势在长度较短、失稳方式为弹塑性失稳的轴压杆中体现得尤为明显。

2）高强度钢材的材性曲线具有不同于常规Q235和Q345级材质的特性。钢材屈强比f_y/f_u随着钢材强度等级的增大而明显增大，这就表明高强度钢材的延性随着强度的提高而降低。通过本书的后续研究则发现，高强钢材的这一材质特点，对大角钢的轴压整体稳定承载力，尤其是弹塑性失稳方式的轴压角钢承载力，有着十分重要的影响。

3）对于高强度钢构件，尤其是高强度角钢轴压构件，残余应力对构件的不利影响要小于普通材质的轴压构件。

4）现有对不同截面类型的高强钢结构轴压构件，尤其是高强角钢构件的研究表明，按现行规范计算得出的高强角钢轴压构件稳定承载力，是偏于保守的，不能真实反映高强角钢轴压构件的力学性能。

高强钢材的这些特点，使得高强钢压杆稳定性能不同于常规材质的钢压杆。而根据常规材质钢材制定的国内外各现行设计规范，已不能很好地反映高强钢压杆的优异力学性能。

现有对高强度、大规格角钢受压构件的少量研究中，已得到了大角钢试件试验承载力明显高于国内外多部设计规范的结论。然而，现有对高强度大规格角钢构件轴压承载力的研究，仍有如下需要继续完善的地方：

1）目前仅针对截面规格为L220×20的大角钢进行了轴压试验，而现在可选择的大规格高强度角钢的截面规格则较多。肢宽为220mm及250mm的大角钢在市场上已较为多见；肢宽为300mm的大角钢亦有生产。大角钢构件的肢厚亦存在16～35mm等多种不同厚度。因此，对更多肢宽、肢厚的大角钢轴压构件进行试验研究十分必要。

2）目前较多研究者针对轴压构件进行的试验研究，在试件两端设置球铰或单刀铰的情况下，均假定轴压试件两端为理想铰接，而忽略试件两端支座转动刚度对轴压试件计算长度的影响。事实上，试件两端支座不可避免地存在不为0的转动刚度，这将提高试件的极限承载力。在此情况下，通过试验获得的试件轴压承载力，比两端为铰接试件的承载力高，直接取试验值为承载能力是偏于危险的。因此，如何获得实际试验中轴压构件的真实计算长度，需进行研究。

3）现有对大角钢轴压构件的理论与数值分析，均考虑角钢材性为理想弹塑性，而未考虑高强度钢材在屈服以后的材质特性。事实上，由于高强度钢材的屈服平台非常短，其材质屈服后的力学表现，与常规Q235及Q345钢材有明显区别。高强钢压杆的屈服后强度是否值得利用，其材质特征对大角钢轴压承载力产生的影响应如何考虑，需进行研究。

4）现有对大角钢轴压构件的理论与数值分析，均考虑角钢截面残余应力与屈服强度的比值为0.3，即σ_r/f_y=0.3。而现有文献对Q420等边角钢残余应力的研究表明，Q420材质角钢截面残余应力与屈服强度的比值不超过0.15。因此，在对大角钢的轴压承载力进行理论与数值研究时，应充分考虑高强度角钢残余应力相对较低所引起的不利影响程度较残余应力较高时为低这一特征。

5）常规截面，尤其是常规尺寸的角钢截面构件，在考虑扭转时，往往不计截面的翘曲刚度。然而，当构件厚度较大时，构件在沿截面厚度方向也将产生翘曲变形，这种变形称为次翘曲变形。大角钢由于肢厚较厚，将存在较大的次翘曲刚度，这也不同于普通规格的角钢。次翘曲刚度对大角钢轴压承载力的有利影响有待研究。

高强度大规格角钢因其卓越的承载能力，以及相对于多拼角钢构件而言的施工简便、整体性强、传力可靠等优点，具有广阔的应用前景。尤其在高压、特高压输电铁塔结构等工程领域，采用大角钢作为铁塔主要受力构件，是电力发展的新趋势。然而目前对该类构件超强承载力的研究并不充分。因此，对该类大规格高强度角钢构件的轴压稳定性能及其超强承载力计算方法进行研究，具有重要的学术意义与工程价值。

本文摘编自郭耀杰、曹珂、陈颢元著《高强度大规格角钢轴压稳定性能及其超强承载力计算方法》文前及第一章，内容有删节。

高强度大规格角钢轴压稳定性能及其超强承载力计算方法

郭耀杰曹珂陈颢元著

责任编辑：王钰王杰琼

北京：科学出版社 2017.10

ISBN 978-7-03-054483-4

《高强度大规格角钢轴压稳定性能及其超强承载力计算方法》是一本论述高强度大规格角钢构件轴压稳定性能及其超强承载力计算方法的专著。全书共6章，内容包括大角钢轴压稳定性能研究的历史和现状评述，试验条件下的轴压杆计算长度的理论推导，大角钢轴压试验几何参数和材料参数的确定，大角钢的轴压试验与分析，大角钢的有限元数值仿真分析，大角钢轴压稳定性能及其超强承载力的计算方法。

（本期编辑：安静）