双拼组合角钢平面假设符合度与填板厚度关系的研究*（建筑）

                          孟宪乔  杨垂玮  郑治祥

              （中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，合肥230601）

摘  要：输电铁塔中实腹式双拼组合角钢构件在两节点间需设置填板,GB 50017-2003《钢结构设计规范》和DL/T5154-2012《架空输电线路杆结构设计技术规定》中，仅简要规定了填板设置上的构造要求，而对填板厚度设计要求及具体布置方式未做出说明和理论分析。通过梁的力学分析和有限元计算，研究双拼组合角钢填板厚度与横截面弯曲应力分布平面假设符合度的关系，获得不同填板厚度的双拼组合角钢横截面上的应力分布规律，其结果可为填板最佳厚度的设计提供理论依据。

关键词：双拼组合角钢；弯曲变形；平面假设符合度；填扳厚度

 D01:10.13206/j.gjg201605004

1概述

    随着电网建设的快速发展，多回路、特高压输电线路越来越多，铁塔所承受的外荷载越来越大。目前在建的1 000 kV交流特高压、±800 kV直流特高压以及750 kV和500 kV多回路、重冰区线路工程，角钢铁塔的材料强度已用到Q420，单角钢的承载能力已难以满足强度需要，往往只能采用组合角钢（双拼角钢、四拼角钢）或者钢管。由于钢管制造加工复杂、焊接量大，费用大约是角钢铁塔的1.2倍左右，且钢管铁塔分段重量较重，在山区存在运输困难，因此其使用范围受到限制，工程上经常采用双拼组合角钢作为塔身和塔腿的主要受力杆件。双拼组合角钢是通过填板连接而成的，图1为交叉填板式双拼组合角钢的横截面，图2为十字填板式双拼组合角钢的横截面。

    国内外关于输电铁塔中双角钢组合截面压杆的研究也越来越多，很多学者研究了双拼组合角钢中填板间的距离对输电铁塔承载力的影响，开展了相关计算与试验研究工作，但双拼组合角钢的填板厚度对铁塔承载力影响的研究则少见。目前，在GB 50017-2003《钢结构设计规范》和DL/T 5154-2012《架空输电线路杆结构设计技术规定》中，仅简要地规定了填板设置上的构造要求（填板间的距离应满足以下规定：对于受压构件，不应超过40 i，i为单一角钢的最小惯性半径），而对填板截面、设计计算以及具体布置方式等均未作出说明。铁塔主材和斜材属杆梁结构，杆梁结构的强度、刚度、稳定性设计是以变形平面假设为基础。本文通过梁的力学分析和数值仿真计算，研究双拼组合角钢填板厚度对横截面弯曲变形平面假设符合度的影响。

2  角钢的截面性质

2.1  单角钢截面惯性矩的表达式

单角钢的截面形式如图3所示。

根据材料力学中惯性矩的定义14，可以得到单

2.2双拼组合角钢截面惯性矩的表达式

    双拼组合角钢构件中，填板仅起加强角钢两肢间整体性的作用，忽略填板的承载作用，双拼组合角钢截面形式如图4所示。

    依据定义，可以得到双拼组合角钢的惯性矩：

3双拼组合角钢的稳定承载力

    双拼组合角钢中的填板起到加强两角钢间整体变形协调的作用；在弯矩作用下，双拼组合角钢实际承载情况是介于两角钢作为整体承受荷载与两角钢单独承受荷载之间，双拼组合角钢实际的截面抗弯

 结合式(3a)与式(4)可以得到双拼角钢轴心受压的对于y轴的整体稳定承载力的上、下界：

4弯矩作用下双拼组合角钢的应力分布

    由梁的理论可知双拼组合角钢受弯矩作用下其截面最大正应力有：

    结合式(3a)、式(3b)和式(7)即可确定双拼组合角钢在弯矩作用下截面最大正应力的上、下界：

    由式(8)可知单个角钢绕x轴的应力与双拼组合角钢绕x轴的整体应力是一样的。

单个角钢绕y轴的应力：

双拼组合角钢绕y轴的整体应力：

5  双拼组合角钢的有限元分析

    有限元分析模型角钢选取L 180×14的等边角钢，填板厚度与角钢翼缘厚度比= h/t(取=0.3、0.5、0.7、1、2、3、4、5、6、7)。双拼组合角钢的填板间距取d= 26i<40i和d=36i<40i，均满足GB50017-2003和DL/T 5154-2012中对填板间距离的要求：对于受压构件，填板间距不应超过40i，i为单一角钢的最小惯性半径。

    采用4结点四边形壳单元Shell 181来模拟角钢，采用8结点3D结构实体单元Solid 45来模拟填板。填板横向与角钢各肢相同，纵向与构建长度方向相同。约束两端所有节点z向铰位移、一端形心对应节点3个方向的线位移，另一端形心对应节点x、y向线位移，并在一端施加一单位弯矩作用。

5.1  双拼组合角钢平面假设符合度计算

    通过有限元数值仿真计算，可以得到不同填板厚度的双拼角钢整体稳定承载力。同时根据式(5a)、式(5b)和式(6)，可以计算出结果双拼组合角钢平面假设符合度，得到双拼组合角钢填板厚度对横截面弯曲应力分布平面假设符合度的关系，如表1所示。

5.2双拼组合角钢的应力分布

    采用ANSYS对构件进行有限元分析，获得不同填板厚度的双拼组合角钢横截面上的应力分布规律，研究双拼组合角钢在弯矩作用下的实际工作状态，得到双拼组合角钢填板厚度对横截面弯曲应力分布平面假设符合度的关系，如图5-图10所示。

    通过表1和图5-图10可知，当0.5<<2时，符合度接近于1，双拼组合角钢横截面满足弯曲变形的平面假设理论，双拼组合角钢的承载能力可按照实腹式构件计算。当<0.5和>2时，符合度小于1很多，双拼组合角钢横截面不满足弯曲变形的平面假设理论，此时双拼组合角钢整体一根梁转变成两根独立的角钢梁。主要是填板厚度过小的时候，由于其刚度很小，起不到加强两角钢整体性的作用，因此不满足横截面弯曲变形的平面假设理论，随着的增大，双拼组合角钢愈加倾向于两角钢独立承受荷载。

6  结束语

    双拼组合角钢是否满足横截面弯曲变形的平面假设理论与填板的厚度有关，当0.5<<2时双拼组合角钢满足横截面弯曲变形的平面假设理论，双拼组合角钢的承载能力可按照实腹式构件计算。当<0.5和>2时双拼组合角钢不满足横截面弯曲变形的平面假设理论，此时双拼组合角钢整体一根梁转变成两根独立的角钢梁。因此，要使得双拼组合角钢的承载能力可按照实腹式构件计算，需要使其填板厚度满足一定的构造要求方可。对于双拼组合角钢，当其填板厚度与角钢厚度相差不大时，满足双拼组合角钢横截面弯曲变形的平面假设理论，双拼组合角钢的承载能力可按照实腹式构件计算。