吳鎖平，呂　健，張大長(.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京0；.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京86)

?

輸電桿塔用Q420鋼管軸壓穩(wěn)定性能試驗(yàn)研究

吳鎖平1，呂健1，張大長2
(1.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇南京211102；2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816)

摘要：文中分析比較了國內(nèi)外不同設(shè)計規(guī)范關(guān)于高強(qiáng)鋼軸壓穩(wěn)定承載力計算理論，開展了不同長細(xì)比Q420高強(qiáng)鋼管軸壓穩(wěn)定承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)中鋼管均發(fā)生極值點(diǎn)整體失穩(wěn)破壞，加載結(jié)束時1/2長度截面附近局部屈曲變形明顯。計算分析不同長細(xì)比Q420高強(qiáng)鋼管軸壓穩(wěn)定承載力與其試驗(yàn)值進(jìn)行比較，長細(xì)比小于60的鋼管穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值與計算值較接近，長細(xì)比大于60的穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值與計算值相差較大，按我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的b類截面、日本鋼規(guī)《AIJ1990》、加拿大輸電規(guī)范《S37-94》及歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》的軸壓承載力計算值略偏于保守，均可以滿足工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Q420高強(qiáng)鋼管；軸壓穩(wěn)定承載力；試驗(yàn)研究；理論分析

2014年江蘇省科技廳前瞻性聯(lián)合研究項目：BY2014005-11

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國輸電線路發(fā)展進(jìn)入飛速發(fā)展的階段，大批輸電線路工程相繼涌現(xiàn)。多年來，我國輸電鐵塔鋼材主要以Q235，Q345為主，與國際先進(jìn)國家相比，材質(zhì)較單一、強(qiáng)度值偏低，可選余地較小[1，2]。由于我國高強(qiáng)鋼的應(yīng)用起步較晚，且高強(qiáng)鋼在輸電塔領(lǐng)域應(yīng)用研究較少。目前還沒有大范圍推廣應(yīng)用。隨著同塔多回路工程、大截面導(dǎo)線工程、大跨越工程的不斷建設(shè)，輸電鐵塔上的荷載不斷提升，大型輸電塔廣泛運(yùn)用高強(qiáng)鋼管。日本在20世紀(jì)90年代相繼建成的同塔雙回路共425 km的1000 kV線路中，輔助材采用角鋼SS41或STK41（屈服強(qiáng)度255 MPa）型鋼，主材采用鋼管SS55或STK55（屈服強(qiáng)度415 MPa）；日本JEAC 6001—2000《架空送電規(guī)程》[3]中的JS690S（屈服強(qiáng)度520 MPa）；歐美國家大多采用55C-E，A36，G50，GR65等級的鋼材。在圓鋼管截面類型劃分方面：美國結(jié)構(gòu)穩(wěn)定協(xié)會SSRC[4]、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS[5]和日本規(guī)范將圓管截面定義為a類截面，我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]中將軋制圓管截面定義為a類，焊接圓管截面定義為b類。

本文對比分析我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、美國規(guī)范《ANSI/AISC 360—2010》[7]、《AIJ 1990》鋼構(gòu)造限界狀態(tài)設(shè)計規(guī)劃[8]、歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993-1-1:2005》[9]、美國輸電規(guī)范《ASCE48-05》[10]、加拿大輸電規(guī)范《S37-94》[11]的相關(guān)理論，計算分析Q420高強(qiáng)鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力，并與Q420高強(qiáng)鋼管軸壓穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值進(jìn)行比較，探討不同規(guī)范計算理論的實(shí)用性，為Q420高強(qiáng)鋼在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1　軸壓穩(wěn)定承載力理論

1.1我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的計算理論

我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當(dāng)λn＞0.215時：

式（1，2）中：λn為無量綱長細(xì)比；α1，α2，α3為系數(shù)；fy為材料屈服強(qiáng)度；E為材料彈性模量。

1.2美國規(guī)范《AISC》的計算理論

美國規(guī)范《AISC》中關(guān)于構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

式（3—5）中：fE為歐拉臨界應(yīng)力；K為計算長度系數(shù)；L為構(gòu)件長度；r為截面回轉(zhuǎn)半徑。

1.3日本《AIJ1990》標(biāo)準(zhǔn)的計算理論

日本《AIJ1990鋼構(gòu)造限界狀態(tài)設(shè)計規(guī)準(zhǔn)》中關(guān)于構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當(dāng)λn＞λe時：

1.4歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的計算理論

歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范《BS EN 1993-1-1:2005》中，冷彎成型鋼管屬于c類截面，構(gòu)件穩(wěn)定折減系數(shù)χ的計算公式。

式（9，10）中：α為截面影響系數(shù)，對于鋼管截面α=0.49。

1.5美國《ASCE48-05》標(biāo)準(zhǔn)的計算理論

美國輸電線路鋼管設(shè)計規(guī)范《ASCE48-05》中關(guān)于構(gòu)件軸壓穩(wěn)定承載力計算公式。

1.6加拿大《S37-94》標(biāo)準(zhǔn)的計算理論

加拿大輸電規(guī)范《S37-94》中關(guān)于構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ的計算公式。

當(dāng)0.15≤λn≤1.0時：

當(dāng)1.0≤λn≤2.0時：

當(dāng)2.0≤λn≤3.6時：

當(dāng)3.6≤λn≤5.0時：

2　Q420高強(qiáng)鋼管軸壓承載力試驗(yàn)

2.1軸壓鋼管試件

鋼管試件規(guī)格為D377×8，鋼管材質(zhì)為Q420，開展不同長細(xì)比的Q420高強(qiáng)鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力試驗(yàn)，長細(xì)比取值為30，40，50，60，80，100，Q420鋼材的力學(xué)性能如表1所示。

2.2加載及測試

由于鋼管試件長度較大，如圖1所示。Q420鋼管穩(wěn)定承載力試驗(yàn)采用臥式水平加載，鋼管兩端采用核定承載力為6000 kN的球鉸施加軸向力。

表1　材料力學(xué)性能

圖1　試驗(yàn)加載

圖2　軸壓試驗(yàn)測點(diǎn)布置

2.3軸壓承載力的試驗(yàn)結(jié)果

（1）典型破壞形式。試驗(yàn)中隨著軸壓荷載的增大，各高強(qiáng)鋼管發(fā)生相似的壞形態(tài)。試件典型破壞模式軸壓荷載達(dá)到一定值后，軸壓鋼管的側(cè)向變形逐漸增大，即出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象；隨著側(cè)向變形繼續(xù)增大，軸壓荷載達(dá)到最大值，突然鋼管跨中發(fā)生局部凹凸、褶皺的局部屈曲，軸壓承載力迅速降低，即整體失穩(wěn)后導(dǎo)致鋼管發(fā)生局部失穩(wěn)。典型軸壓鋼管D356×8-λ=50的破壞形態(tài)如圖3所示。

（2）軸壓荷載—變形特性。試驗(yàn)得到典型鋼管的軸壓荷載—變形曲線如圖4、圖5所示。鋼管在達(dá)到屈服承載力之前，隨著軸壓荷載的增大，荷載增長呈線性，位移變化很小；當(dāng)軸壓荷載臨近或超過屈服承載力后，高強(qiáng)鋼管側(cè)向變形的發(fā)展明顯加快，說明鋼管由于整體失穩(wěn)而引起局部屈曲，各測點(diǎn)應(yīng)變發(fā)展呈不規(guī)則的非線性趨勢。另外，基于鋼管軸壓荷載—變形曲線、軸向力—管中截面應(yīng)變曲線可知，主管端部的轉(zhuǎn)動變形明顯，即為兩端鉸接加載。對于長細(xì)比小于40的構(gòu)件，其局部屈曲變形明顯大于整體彎曲變形；對于長細(xì)比大于50的構(gòu)件，其整體彎曲變形大于局部屈曲變形。不同長細(xì)比Q420高強(qiáng)鋼管試件的破壞模式為典型的極值點(diǎn)失穩(wěn)破壞，且伴隨比較明顯的局部屈曲，與理論分析結(jié)果相符。

圖3　軸壓鋼管典型破壞模式

圖4　軸壓荷載-變形曲線

3　Q420高強(qiáng)鋼管軸壓承載力的對比分析

不同長細(xì)比鋼管構(gòu)件D377×8的軸壓穩(wěn)定系數(shù)的試驗(yàn)值、計算值、模擬值如表2所示。其中Φexp為試驗(yàn)穩(wěn)定系數(shù)；ΦFEA為有限元模擬系數(shù)；Φa，Φb是按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ1是按《AISC 360—2010》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ2是按《AIJ 1990》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ3是按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ4是按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)；Φ5是按《S37-94》計算的穩(wěn)定系數(shù)。不同規(guī)范的穩(wěn)定系數(shù)對比情況如圖6所示。

圖5　軸向力—管中截面應(yīng)變曲線

圖6　穩(wěn)定系數(shù)計算值和模擬值及試驗(yàn)值對比

（1）按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最大，按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最小，相差8%以上；

（2）按《S37-94》計算的計算值與我國鋼規(guī)中按b類截面計算值接近；

（3）構(gòu)件長細(xì)比大于60時，模擬穩(wěn)定系數(shù)與按日本鋼規(guī)《AIJ 1990》、美國鋼規(guī)《AISC 360—2010》、我國鋼規(guī)a類截面計算值比較接近；

（4）長細(xì)比大于60時，試驗(yàn)穩(wěn)定系數(shù)比理論計算值大，是因?yàn)闃?gòu)件兩端球鉸未能協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動（與理想球鉸有區(qū)別），導(dǎo)致構(gòu)件計算長度偏小。

表2　Q420高強(qiáng)鋼管軸壓穩(wěn)定系數(shù)

綜上所述，對Q420高強(qiáng)鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力可按我國鋼規(guī)中b類截面，日本鋼規(guī)《AIJ 1990》，加拿大輸電規(guī)范《S37-94》，或歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》進(jìn)行計算分析，且偏于保守。

4　結(jié)束語

基于上述Q420高強(qiáng)鋼管軸壓承載力特性的計算分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）長細(xì)比小于60的鋼管穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值與計算值較接近，長細(xì)比大于60的穩(wěn)定承載力試驗(yàn)值與計算值相差較大；試驗(yàn)中軸壓鋼管失穩(wěn)破壞形式主要為極值點(diǎn)失穩(wěn)，且1/2截面附近局部屈曲變形明顯；

（2）按《ASCE 48-05》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最大，按《BS EN 1993》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值最小，相差8%以上；按《S37-94》計算的穩(wěn)定系數(shù)計算值與我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中按b類截面計算值接近；

（3）Q420高強(qiáng)鋼管的軸壓穩(wěn)定承載力可按我國《鋼規(guī)》中的b類截面，日本鋼規(guī)《AIJ 1990》，加拿大輸電規(guī)范《S37-94》，或歐洲鋼規(guī)《BS EN 1993》進(jìn)行計算分析，略偏于保守，可以滿足工程應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]何長華.高強(qiáng)鋼冷彎型鋼在輸電塔上應(yīng)用可行性探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2004，19(5)：35-37.

[2]李茂華. Q420和Q460高強(qiáng)鋼在輸電線路鐵塔應(yīng)用的研究[R].北京：國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院，2006.

[3]日本JEAC 6001—2000架空送電規(guī)程[S].

[4] GALAMBOS T V. ed. Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures [R]. John Wiley﹠Sons, 1998.

[5] STINTESO D. ed. European Convention of Constructional Steelworks Manual on the Stability of Steel Structures[R]. ECCS,Paris, 1976：55-97.

[6] GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7] ANSI/AISC 360—2010 An American National Standard Specification for Structural Steel Buildings[S]. Chicago, IL, 2005.

[8] AIJ 1990日本建筑學(xué)會鋼構(gòu)造限界狀態(tài)設(shè)計規(guī)劃（案）[S]. 1990.

[9] BS EN 1993 Euro-Code 3: Design of Steel Structures[S].

[10] ASCE/SEI 4-05 Design of Steel Transmission Pole Structures [S].

[11] S37-94 Antennas Towers and Antenna-Supporting Structures [S].

吳鎖平（1972），男，江蘇姜堰人，高級工程師，從事電網(wǎng)工程設(shè)計工作；

呂?。?979），男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事輸電線設(shè)計工作；

張大長（1971），男，浙江新昌人，教授，從事土木工程相關(guān)教學(xué)及科研工作。

廣告索引

江蘇中凌高科有限公司封一

南京蘇逸實(shí)業(yè)有限公司封二

南瑞科技股份有限公司前插1

《江蘇電機(jī)工程》協(xié)辦單位封三

江蘇南瑞繼保電氣有限公司封四

Computational Theory and Comparison Analysis on Axial Compression Bearing Capacity of Q420 High Strength Steel Tube for Transmission Line Tower

WU Suoping1, LYU Jian1, ZHANG Dachang2
(1. Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China; 2. College of Civil Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 211816, China)

Abstract：Computational theory of axial compression bearing capacity in different national and foreign design standards are compared. The axial compression tests of Q420 high strength steel tube with different slenderness ratios are carried out. Integral instability happens during the tests, and obvious local buckle appears in the section of 1/2 length at the end of test. The bearing capacities of Q420 high strength steel tubes are calculated and compared. The calculation results agree with the testing results of the steel tubes that slenderness ratio is smaller than 60, and the test results for other slenderness ratios are lager than the calculation results. The calculation results are conservative, which are obtained according to the code for steel structure design, AIJ 1990 of Japan, S37-94 of Canada and BS EN 1993, and the computational theory could apply to the engineering design.

Key words：Q420 high-strength steel tube; compression stability bearing capacity; test research; theoretical analysis

作者簡介：

收稿日期：2015-10-10；修回日期：2015-11-27

中圖分類號：TU3922

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0665（2016）02-0052-04