雙拼組合角鋼平面假設符合度與填板厚度關系的研究*（建筑）

                          孟憲喬  楊垂瑋  鄭治祥

              （中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，合肥230601）

摘  要：輸電鐵塔中實腹式雙拼組合角鋼構件在兩節點間需設置填板,GB 50017-2003《鋼結構設計規范》和DL/T5154-2012《架空輸電線路桿結構設計技術規定》中，僅簡要規定了填板設置上的構造要求，而對填板厚度設計要求及具體布置方式未做出說明和理論分析。通過梁的力學分析和有限元計算，研究雙拼組合角鋼填板厚度與橫截面彎曲應力分布平面假設符合度的關系，獲得不同填板厚度的雙拼組合角鋼橫截面上的應力分布規律，其結果可為填板最佳厚度的設計提供理論依據。

關鍵詞：雙拼組合角鋼；彎曲變形；平面假設符合度；填扳厚度

 D01:10.13206/j.gjg201605004

1概述

    隨著電網建設的快速發展，多回路、特高壓輸電線路越來越多，鐵塔所承受的外荷載越來越大。目前在建的1 000 kV交流特高壓、±800 kV直流特高壓以及750 kV和500 kV多回路、重冰區線路工程，角鋼鐵塔的材料強度已用到Q420，單角鋼的承載能力已難以滿足強度需要，往往只能采用組合角鋼（雙拼角鋼、四拼角鋼）或者鋼管。由于鋼管制造加工復雜、焊接量大，費用大約是角鋼鐵塔的1.2倍左右，且鋼管鐵塔分段重量較重，在山區存在運輸困難，因此其使用范圍受到限制，工程上經常采用雙拼組合角鋼作為塔身和塔腿的主要受力桿件。雙拼組合角鋼是通過填板連接而成的，圖1為交叉填板式雙拼組合角鋼的橫截面，圖2為十字填板式雙拼組合角鋼的橫截面。

    國內外關于輸電鐵塔中雙角鋼組合截面壓桿的研究也越來越多，很多學者研究了雙拼組合角鋼中填板間的距離對輸電鐵塔承載力的影響，開展了相關計算與試驗研究工作，但雙拼組合角鋼的填板厚度對鐵塔承載力影響的研究則少見。目前，在GB 50017-2003《鋼結構設計規范》和DL/T 5154-2012《架空輸電線路桿結構設計技術規定》中，僅簡要地規定了填板設置上的構造要求（填板間的距離應滿足以下規定：對于受壓構件，不應超過40 i，i為單一角鋼的最小慣性半徑），而對填板截面、設計計算以及具體布置方式等均未作出說明。鐵塔主材和斜材屬桿梁結構，桿梁結構的強度、剛度、穩定性設計是以變形平面假設為基礎。本文通過梁的力學分析和數值仿真計算，研究雙拼組合角鋼填板厚度對橫截面彎曲變形平面假設符合度的影響。

2  角鋼的截面性質

2.1  單角鋼截面慣性矩的表達式

單角鋼的截面形式如圖3所示。

根據材料力學中慣性矩的定義14，可以得到單

2.2雙拼組合角鋼截面慣性矩的表達式

    雙拼組合角鋼構件中，填板僅起加強角鋼兩肢間整體性的作用，忽略填板的承載作用，雙拼組合角鋼截面形式如圖4所示。

    依據定義，可以得到雙拼組合角鋼的慣性矩：

3雙拼組合角鋼的穩定承載力

    雙拼組合角鋼中的填板起到加強兩角鋼間整體變形協調的作用；在彎矩作用下，雙拼組合角鋼實際承載情況是介于兩角鋼作為整體承受荷載與兩角鋼單獨承受荷載之間，雙拼組合角鋼實際的截面抗彎

 結合式(3a)與式(4)可以得到雙拼角鋼軸心受壓的對于y軸的整體穩定承載力的上、下界：

4彎矩作用下雙拼組合角鋼的應力分布

    由梁的理論可知雙拼組合角鋼受彎矩作用下其截面最大正應力有：

    結合式(3a)、式(3b)和式(7)即可確定雙拼組合角鋼在彎矩作用下截面最大正應力的上、下界：

    由式(8)可知單個角鋼繞x軸的應力與雙拼組合角鋼繞x軸的整體應力是一樣的。

單個角鋼繞y軸的應力：

雙拼組合角鋼繞y軸的整體應力：

5  雙拼組合角鋼的有限元分析

    有限元分析模型角鋼選取L 180×14的等邊角鋼，填板厚度與角鋼翼緣厚度比= h/t(取=0.3、0.5、0.7、1、2、3、4、5、6、7)。雙拼組合角鋼的填板間距取d= 26i<40i和d=36i<40i，均滿足GB50017-2003和DL/T 5154-2012中對填板間距離的要求：對于受壓構件，填板間距不應超過40i，i為單一角鋼的最小慣性半徑。

    采用4結點四邊形殼單元Shell 181來模擬角鋼，采用8結點3D結構實體單元Solid 45來模擬填板。填板橫向與角鋼各肢相同，縱向與構建長度方向相同。約束兩端所有節點z向鉸位移、一端形心對應節點3個方向的線位移，另一端形心對應節點x、y向線位移，并在一端施加一單位彎矩作用。

5.1  雙拼組合角鋼平面假設符合度計算

    通過有限元數值仿真計算，可以得到不同填板厚度的雙拼角鋼整體穩定承載力。同時根據式(5a)、式(5b)和式(6)，可以計算出結果雙拼組合角鋼平面假設符合度，得到雙拼組合角鋼填板厚度對橫截面彎曲應力分布平面假設符合度的關系，如表1所示。

5.2雙拼組合角鋼的應力分布

    采用ANSYS對構件進行有限元分析，獲得不同填板厚度的雙拼組合角鋼橫截面上的應力分布規律，研究雙拼組合角鋼在彎矩作用下的實際工作狀態，得到雙拼組合角鋼填板厚度對橫截面彎曲應力分布平面假設符合度的關系，如圖5-圖10所示。

    通過表1和圖5-圖10可知，當0.5<<2時，符合度接近于1，雙拼組合角鋼橫截面滿足彎曲變形的平面假設理論，雙拼組合角鋼的承載能力可按照實腹式構件計算。當<0.5和>2時，符合度小于1很多，雙拼組合角鋼橫截面不滿足彎曲變形的平面假設理論，此時雙拼組合角鋼整體一根梁轉變成兩根獨立的角鋼梁。主要是填板厚度過小的時候，由于其剛度很小，起不到加強兩角鋼整體性的作用，因此不滿足橫截面彎曲變形的平面假設理論，隨著的增大，雙拼組合角鋼愈加傾向于兩角鋼獨立承受荷載。

6  結束語

    雙拼組合角鋼是否滿足橫截面彎曲變形的平面假設理論與填板的厚度有關，當0.5<<2時雙拼組合角鋼滿足橫截面彎曲變形的平面假設理論，雙拼組合角鋼的承載能力可按照實腹式構件計算。當<0.5和>2時雙拼組合角鋼不滿足橫截面彎曲變形的平面假設理論，此時雙拼組合角鋼整體一根梁轉變成兩根獨立的角鋼梁。因此，要使得雙拼組合角鋼的承載能力可按照實腹式構件計算，需要使其填板厚度滿足一定的構造要求方可。對于雙拼組合角鋼，當其填板厚度與角鋼厚度相差不大時，滿足雙拼組合角鋼橫截面彎曲變形的平面假設理論，雙拼組合角鋼的承載能力可按照實腹式構件計算。