高强度大规格角钢应用研究

高强度大规格角钢应用研究

卢二岩

中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司 河北省 石家庄市 050000

摘要：本文结合普通规格角钢及大规格角钢的特性，从理论上分析了其受力特点，并给出了相应的最优计算长度及承载力与长细比的关系曲线，对比讨论了大规格角钢与普通角钢在实际工程中的应用情况。

关键词：高强度；大规格；角钢

中图分类号：TU756 文献标识码：A

1、引言

随着国民经济的快速发展，我国电力工业得到了迅速的发展。为了均衡不同区域间电力产能，越来越多的同塔多回路输电线路开始建设，其所选用的导线截面也越来越大，这些线路既可以节省线路走廊，也可以降低输电损耗，提高输电效率。

2、国内外钢材应用现状

长期以来在输电线路铁塔设计、制造和加工行业中，我国所采用的钢材强度等级主要是Q235 和Q345 两种，近几年来，Q420高强钢材在电网建设中得到了广泛的应用。

美国采用的ASTM A572 Gr65 钢材屈服强度最低可达450MPa，这与我国Q460 强度相当，A572 Gr50 钢材与我国Q345 强度相当，A36 屈服点250MPa 比Q235 高13MPa；与日本的钢材相比，日本采用的SS55钢材屈服强度415MPa，比我国Q345 强度高16％，SN400 钢材屈服强度245MPa，比我国Q235 强度高10MPa。而且国外角钢规格也比我国丰富，我国等边角钢常用最大规格L200×24，而国外可达L250×35，且角钢的宽厚比大，因此选材也经济合理。

我国杆塔所用材料品种强度值偏低、角钢规格可选择余地小，当杆塔荷载较大时，只能采用组合截面来弥补材料强度低的不足，增大了设计、加工的工作量和投资。因此，若能采用大规格角钢，则可以减轻塔重，降低工程造价。因此，对大规格角钢在输电线路的研究及应用势在必行。

3、输电铁塔构件的承载力计算原理

3.1、轴心受力强度控制杆件的计算

铁塔构件的选取主要是取决于其受力状态，对于铁塔受力材，其主要由轴心受力的强度及轴心受压稳定控制来确定。《架空输电线路杆塔设计技术规定》(DL/T 5154-2012)对于轴心受力构件的强度计算公式如下：

N/An≤m•f

式中：

N－轴心拉力或压力设计值；

m－构件强度折减系数；

An－构件净截面面积；

f－钢材的强度设计值。

上式中，m 与材料的规格和强度等级无关，An与材料规格的减孔数有关，可以看出，对于轴心受力强度控制的构件，其选材主要是由材料本身的强度来决定，构件材料量大致与材料强度设计值成反比，强度越高其所用材料越少。与普通钢材相比，采用大规格角钢的减孔数比组合普通角钢的减孔数减少一半，能提高钢材的强度利用率，从而降低钢材指标。

3.2、轴心受压稳定控制杆件的计算

铁塔结构大部分的杆件由受压稳定控制，如横担下平面主材、塔身主材、斜材等。《规定》对于由轴心受压稳定控制的受力杆件，其计算公式如下：

N/(φ•A)≤mN•f

式中：

N－轴心受压稳定的压力设计值；

φ－铁塔轴心受压构件稳定系数；

A－构件毛截面面积；

mN－压杆稳定强度折减系数；

f－钢材的强度设计值。

从形式上看，稳定计算公式和强度计算公式两者区别不是很大，但性质却迥然不同。强度计算是针对构件的某一截面进行的；而稳定计算从公式形式看，虽然也像是针对个别截面，实际上它却是针对整个结构的。轴心压杆在弹性范围内的临界力是由著名的欧拉公式给的：

式中不仅有材料特性E 和截面特性I ，还有杆件的长度l ，这就表明它不只是个别截面的问题。轴心压杆在压力达到NE时就不能再保持原有的直线形式，其原因在于压力使杆件的弯曲刚度下降，而压力达到临界值NE时，杆件的弯曲刚度就消失了。这一点可以从下面的公式中作进一步的解释。任何现实中的杆件，其轴线并不可能是几何学上的理论直线，也就是并非完善直杆，而是具有微小的初始弯曲。随着杆件承受压力N 的增大，杆件的挠度也逐渐增大，假设初始弯曲的形状为正弦曲线的半个波长，则初始挠度 ，据此建立的平衡方程式为：

解之，可得到杆件中央的总挠度为：

显而易见，当 时， 将无限增大，它的物理意义就是指杆件的弯曲刚度退化为零了，杆件也就无法再保持稳定的平衡状态。既然杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体性问题，那么稳定分析也就应该从整体着眼。但是，在实际设计中，除非特殊的铁塔结构，一般并不去计算铁塔本身的稳定性，而是以计算单个受压杆件的稳定性来代替，所以应当引起注意的是，这只是一种简化方法，它把其它杆件对计算杆件提供的约束，通过一个计算杆件自身的计算长度来加以体现。这种简化只是在符合一定条件时才是精确的。

稳定计算公式中的φ 和mN 都与材料的规格和强度等级有关。

4、高强度大规格角钢应用分析

4.1、转角塔普通规格双组合角钢与大规格单肢角钢对比

图1 双回路耐张塔单线图

图1为本工程所用Ⅲ型转角塔单线图，经计算变坡处以下的主材采用普通规格双组合角钢时，其规格为2Q420L180×14～2Q420L180×16，内力范围为2650～3318kN；采用大规格单肢角钢后，主材规格为Q420 L220×20～Q420L220×26，内力范围为2632～3220kN。因此，可以初步得出结论：采用大规格单肢角钢后，铁塔主材内力及主材截面面积均可降低。

基于以上分析，下文结合直线塔变坡处塔身及塔腿两个方面，详细讨论采用组合角钢与大规格单肢角钢对铁塔重量及铁塔构造的影响。

4.2、变坡处身部普通规格双组合角钢与大规格单肢角钢对比

普通规格双组合角钢与大规格单肢角钢的临界长度差异较大，为了使大规格单肢角钢充分发挥其承载能力，需增加部分辅助材以减小计算长度。

双组合角钢在单一双角钢变坡处构造较为复杂，为了使上下重心线对齐，需设置变坡座板并增加较多加劲肋；而单肢角钢在变坡处构造较为简洁，仅需在开断处火曲内包角钢及外贴板即可，几乎不增加开断连接处的重量。

铁塔受力主材可节约7.4％，约350.3kg；虽然辅助材有所增加，但对于整个节间的重量影响并不大；重量变化最大影响因素是板、钉有较大幅度的节省，此段塔身板、钉重量可节约464kg。因此，塔身处采用大规格单肢角钢后重量能够有效降低。

4.3、普通规格双组合角钢与大规格单肢角钢对铁塔总重的影响

普通规格双组合角钢改为大规格角钢后，铁塔总重量可节省约4％～5％，此外，与组合角钢相比，大规格单肢角钢具有构造简洁、受力明确、加工方便等优点，因此采用大规格单肢角钢替代普通规格双组合角钢具有广阔的应用前景。

5、结束语

大规格角钢与普通规格双角钢相比，能够节约塔材4～5％，并且单肢角钢具有构造简洁、受力明确等优势，能够很好地克服普通规格双组合角钢存在角钢受力不均匀，十字形截面扭转屈曲而引起的截面削弱，以及填板及节点构造复杂等缺点。因此，大规格单肢角钢与普通规格双组合角钢相比，具有更好的应用前景。本工程推荐采用L220、L250系列高强度大规格角钢。

参考文献：

[1]王虎长 魏鹏 张媛.Q420高强角钢宽厚比限值及其引起的强度折减方法的研究[J].中国电力工程学会输电专业委员会结构学组第五届第二次学术年会，2010，162-172.

[2]韩大刚 郭跃明等.高强度大截面角钢应用研究[J].中国电力工程学会输电专业委员会结构学组第五届第二次学术年会，2010，193-202.

[3]陈 骥.钢结构稳定理论与设计(第三版)[M].北京：科学出版社，2006：396-431.