输电塔不等边角钢构件稳定承载力理论及试验研究

摘要

塔架节间交叉斜材由于受到面内辅材的约束作用，该方向计算长度远小于无侧向支撑的面外方向，面内、面外刚度差别较大，对结构设计不利。若采用不等边角钢替代等边角钢斜材，将其短肢作为连接肢，可有效提高斜材平面外的抗弯刚度、降低斜材面内刚度的裕度，减小面内与面外稳定承载力的差距，从而充分利用材料，使构件更好地满足经济性和稳定承载力的要求。相对于单轴对称的等边角钢来说，不等边角钢属于非对称截面，普通热轧规格的两肢长度比值通常在1.5～1.64，二者几何特性差别较大，受力性能更为复杂。然而，现有设计方法多是针对于等边角钢，对于不等边角钢的研究则少有提及。为实现不等边角钢在输电线路铁塔中的运用，本文针对该类构件受压稳定性能进行了系统的研究，主要完成了以下几方面的工作：
　　①对218根刀口铰支座条件下的等边、不等边角钢单根构件进行了受压稳定试验，研究了不同连接参数、截面规格、偏心条件以及长细比下两类角钢的极限承载力、破坏模式以及变形性能等力学特性。试验结果表明：小长细比试件主要发生扭转屈曲或者连接肢局部屈曲，大长细比试件发生双向弯曲屈曲或者弯扭屈曲。由于角钢肢边支座条件不一致，随着长细比增加，试件弯曲轴从肢边平行轴方向逐渐向弱主轴方向转动。对于单边连接角钢，长度较短时，不等边角钢承载力高于等边角钢，随着构件长度增加，两类角钢承载力差值减小。
　　②建立了不等边角钢在不同连接方式下的单根受压模型，考虑了几何初始缺陷和残余应力影响。通过参数分析发现：长细比较小时构件稳定系数随宽厚比增加而减小，扭转变形起主要作用；同时稳定系数也随不等边角钢屈服强度增加而减小，但长细比超过120后，屈服强度对稳定承载力影响可忽略。
　　③对两种输电塔常用节间平面进行了足尺试验，研究了交叉斜材在一拉一压受力情况下的稳定性。结果表明等边角钢斜材失稳模式为面外屈曲，而不等边角钢失稳模式为面外面内同时屈曲。同等条件下，不等边角钢斜材承载力更高，在该类节间内可替代相近截面的等边角钢。
　　④建立了不等边角钢交叉斜材的节间有限元模型，分别对交叉斜材在一拉一压以及同时受压情况下的稳定性能进行了分析。当斜材处于一拉一压时，压杆承载力随拉力增加而增大，构造偏心的影响也随之增大；当斜材处于同时受压时，极限承载力随着两杆压力比值的增加而减小，构造偏心影响可忽略。
　　⑤基于最小势能原理以及符拉索夫位移模式推导了两类角钢弯扭刚度矩阵，该矩阵考虑了扭转屈曲以及弯曲屈曲之间相互作用。在与肢边平行的刀口铰支座条件下，基于有限单元法，对两类角钢进行了弯扭非线性屈曲分析，得到了不同长细比下宽厚比限值，并提出了稳定系数计算方法以及偏心受压时长细比修正方法。在单根构件计算方法的基础上，提出了同时考虑面内面外屈曲的两类角钢交叉斜材稳定承载力设计方法，为工程应用提供了理论基础。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究目的及内容

2 不等边角钢稳定性试验研究

2.1 试件设计

2.2 试验方案

2.3 材性试验

2.4 试验结果及分析

2.5 本章小结

3 不等边角钢稳定性有限元分析

3.1 有限元模型建立

3.2 有限元模型验证

3.3 参数化分析

3.4 本章小结

4 输电塔节间交叉斜材试验研究

4.1 试件设计

4.2 试验方案

4.3 试验结果及分析

4.4 承载力对比

4.5 本章小结

5 不等边角钢节间交叉斜材有限元分析

5.1 有限元模型建立

5.2 有限元模型验证

5.3 不同受力情况分析

5.4 本章小结

6 不等边角钢稳定理论分析及其设计方法

6.1 受压构件弯扭非线性屈曲基本分析

6.2 柱子曲线

6.3 偏心长细比修正

6.4 节间斜材受压计算

6.5 本章小结

7 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 主要创新点

7.3 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目