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1、 1 不等边角钢用于输电杆塔的试验研究 1默增禄 2耿景都 （国家电力公司电力建设研究所，北京， 102401） 摘 要 在国外，不等边角钢已广泛应用于输电线路铁塔，但目前国内在该领域仍是空白，尚未是对不等边角钢受力状态和特性、不同的杆件端部连接方式对其承载力的影响、杆端偏心对节点强度的影响等进行系统地理论分析与试验研究。根据对 “不等边角钢用于输电杆塔的试验研究”， 初步摸清了不等边角钢杆件和节点构造的受力特性，提出了相应的设计和选材参数，为输电线路铁塔采用不等边角钢部件提供了可靠地设计参 照依据 . 1 前言 输电线路杆塔结构的斜材是只能单面与主材连接的偏心受力构件，其承载能力( Pcr
2、)与相当长度 ( uL )成反比，与截面惯性矩 (I)成正比，可以用公式表述为 Pcr = 2E I/(uL) 2 。斜材的长度一般较大， 特别是身部斜材构件都采用辅助支撑降低计算长度 , 以提高其承载能力。当构件采用等边角钢时，由于支撑肢和自由肢角钢的截面惯性矩一样，未支撑平面内的计算长度将显著增大，导致构件在该平面的承载能力显著降低，在 结构设计选材时起控制作用。而采用不等边角钢，其短肢平面采用辅助支撑降低计算长度提高承载力；宽肢虽为自由肢但其惯性矩较短肢惯性矩大，其承载力也相应提高，二者优势互补，从而充分利用了材料的截面特性以提高其承载能力。 2不等边角钢受拉试验 输电线路铁塔上的受拉构
3、件，当采用螺栓单肢连接时，构造偏心使其承载力降低。在设计中用折减系数 m（相当于工作条件系数）修正构件的截面积 Aj，得到有效抗拉截面积 Aef，然后求出设计承载力 Nmax，即： Nmax= m Aj = Aef (1 ) 设计规程 中国规程 欧洲钢结构协会建议方法 美国输电铁塔设计导则（ ASCE No.52） 计算公式 Aef = mAj-ndt Aef = A1+ 3 A1 A2/（ 3 A1+ A2） Aef = 0.9(Aj ndt) 公式 1 公式 2 公式 3 使 m - 工作条件系数 A1 - 连接肢的净面积 规定螺孔准线不得大于连接肢宽 用 n - 螺栓数量 A2 - 自由
4、肢的截面积 的一半。当连接肢为不等 边角钢 说 d - 螺栓直径 的短肢时，则认为自由肢的有效 明 t - 构件厚度 宽度与连接肢宽度相等。 我国和其他欧美国家的相关设计规程，对单肢连接的单角钢受拉构件的承载力 , 关 键 词 输 电 线 路 杆塔 不 等 边 角 钢 承 载 力 试验 2 都因单肢连接的偏心影响而考虑一个小于 1的折减系数，但除美国外都不对螺孔准线位置提出特殊要求。为了验证国内外 相关设计方法的合理性，了解不等边角钢受拉时的破坏规律，对不等边角钢受拉试验研究的重点主要考察螺栓准线位置对其承载力的影响。准 线位置对不等边角钢受拉强度的影响 表1 试件 编号 螺栓 位置 钉线 位
5、置 A试验承载力 (kN) B净截面 承载力(kN) A/B （ m） m= Aef / Aj 试验值 平均值 公式 1 公式 2 公式 3 1 长肢 35 334 334.0 372.0 0.898 0.616 0.784 0.779 2 长肢 50 287 287.3 0.772 0.616 3 长肢 50 281 4 长肢 50 294 5 长肢 65 212 211.3 0.568 0.616 / 6 长肢 65 194 7 长肢 65 228 8 短肢 30 218 217.0 372.0 0.583 0.616 0.602 0.579 9 短肢 30 216 10 短肢 36 19
6、0 174.0 0.468 0.616 / 11 短肢 36 160 12 短肢 36 172 注： 试件规格 L100x63x6 根据试件的实测极限强度 =445 kN/mm2 ，实测面积为 9.655mm2 ，净截面承载力 B =(9.655-2.15*0.60)* =372.0 kN。 2 .1 准线 位置对不等边角钢受拉强度的影响 为研究不同准线位置对 不等边角钢 承载力的影响，当长肢连接时，选择了三种准线分别为 35、 50、 65 的试件，三种准线之间相差 15；当短肢 连接时，选择了准线分别为 30 和 36 的两种试件，试验结果如 表 1 所示。我国设计规定单角钢的受拉计算有效
7、面积为定值，其 受拉 承载力亦为定值，这显然和试验结果不符，确切地说该设计规定没有考虑 不等边角钢其长短肢连接时不同的构造特点，不适用于不等边角钢受拉 承载力的设计计算。欧美国家建议方法计算的工作条件系数 m 和试验结果很接近。试验结果表明， 不等边 单 角钢 受拉承载力的计算，宜采用输电铁塔设计导则（ ASCE No.52）规定的方法，严格遵循美国设计导则对螺孔准线位置的要求。 2 .2 不等边角钢双角钢受拉试验 双肢 不等边角钢受拉试验 重点考察单角钢和双角钢受拉强度的对比情况，对于准线位置对其承载力的影响不做重点研究，所以试件采用 Q235 L75x50x6不等边角钢，下表 2是试验结果
8、。从表中可以看出，双角钢受拉承载力是单角钢承载力的两倍，此时的破坏规律非常明显。 3 双 肢 不 等 边 角 钢 受 拉 强 度 试 验 结 果 表 2 试件 编号 试 件 规 格 螺栓 位置 钉线 位置 试验承载力(kN) 试件 编号 试 件 规 格 螺栓 位置 钉线 位置 试验承载力(kN) 试验值 平均值 试验值 平均值 1 L75x50x6 短肢 25 206 205.3 4 2L75x50x6 短肢 25 420 418 2 L75x50x6 短肢 25 208 5 2L75x50x6 短肢 25 416 3 L75x50x6 短肢 25 202 6 3不等边角钢受压承载力试验研究
9、3 1 不等边角钢承载力的计算方法 单面连接的不等边角钢是偏心受压构件 ,如下图所示在螺栓所在截面上，存在因螺栓准线对重心线 y - y 的偏心弯矩 My(My=P e)和因短肢单面连接产生的弯矩 Mx(Mx=P rx)，所以不等边角 钢偏心受压是双向压弯构件，在弹性范围内角钢肢翼缘处的应力为： P My My = - + - + - (2) Aj Wx Wy 钢结构设计规范（ GBJ17-88） 规定压弯构件的稳定计算，应分别考虑弯矩平面内的弯曲失稳和弯矩平面外的侧弯与扭转失稳。在确定 GBJ17-88的柱子曲线时，考虑到单轴对称截面 构件的弯扭屈曲承载力较低，经分析后稳定系数取 C类曲线，
10、可不再进行弯扭计算；同样理由，对无任何对称截面的 不等边角钢， 稳定系数当取 C类曲线。“钢规GBJ17-88”对一些工作情况处于不利的结构构件和连接 （ 包括 不等边角钢 )，认为其强度设计值应考虑一折减系数。即，用折减系数以考虑双向弯曲的影响，将压弯作为轴心受压构件来计算。根据开口薄壁杆件几何非线性理论，应用有限元法，并考虑残余应力、初始弯曲等初始缺陷的影响 , 对单面连接的单角钢进行了弹塑性阶段的稳定分析，得到单面连接的单角钢设计强度折减系数： 等 边 单 角钢 0.6+0.0015 1.0 短 肢相连的不等边角钢 0.5+0.0025 1.0 长 肢相连的不等边角钢 0.70 按 现行
11、设计规定，在计算 单角钢设计强度时，将上述设计强度折减系数 当作工作条件系数 m，不等边角钢构件 短 肢连接时受压构件承载力的计算公式可写为： Nmax = (3) 4 m Aj 式中 Nmax - 设计承载力 Aj - 构件毛截面积 - 允 许应力 m - 工作条件系数， m=0.5+0.0025 1.0 - 稳定系数，取 钢规（ GBJ17-88） C 类曲线 3 2 试验结果分析 表 3 是试验结果和有限元电算分析结果。根据有限元电算结果， 不等边角钢轴心受压构件计算承载力为理论承载力的 0.9 倍（见电算 A），实测值与此计算值均比较接近。 不等边角钢 偏心受压 时，按“钢规 GBJ1
12、7-88”的规定构件计算承载力考虑一折减系数后，按轴心受压构件计算，此计算结果列于在表 3 中“ 电算 X 折减 B”一栏， 计算值与实测值非常接近。表中最后 一栏是 实测值与计算承载力的比。此比值的平均值为 1.01，将偏差较大的最大比和最小比去掉后 (或取二者的平均值 )，平均比值为 0.99。由此可见，理论分析 （ 电算 ） 和试验结果表明 不等边角钢受压构件承载力应按“钢规 GBJ17-88”的规定计算。轴心受压构件的实际承载力应考虑 0.9的折减系数，偏心受压构件的实际承载力考虑一折减系数 0.5+0.0025 后，按轴心受压构轴心受压构件计算。这样， 不等边角钢 受压构件承载力的计
13、算公式可表达为： Nmax = （ 4） m Aj 5 式中 Nmax - 设计承载力 Aj - 构件毛截面积 - 允 许应力 - 稳定系数，取 C 类曲线 m - 工作条件系数， 轴心受压 m=0.9；偏 心受压 m=0.9*(0.5+0.0025 ) 不 等 边 角 钢 受压试验 结果与 理论承载力的比较 表 3 编号 规格 长度 (mm) 长细比 试验承载力 kN 理论承载力 kN 试验值 /理论值 试验值 平均值 N GBJ17-88 电算 A 电算 X折减 B N/A、 N/B 平均值 1 轴心 2900 120 110.2 110.3 120.3 120.3x0.9 =108.3 1.018 1.01 (0.99) 2 L75X50X6 109.8 3 110.8 4 轴心 4490 140 103.0 110.2 129.4 129.4x0.9 =116.4 0.947 5 L100X63X6 118.7 6 109.0 7 轴心 3300 85.0 90.7 98.1 98.7x0.9 =88.3 1.027 8 L75X50X6 92.0 9 95.0 10 L100X63X6 偏心 4550 100.0
