基于真型试验的双组合角钢铁塔设计研究

2012-06-28徐明鸣

电力勘测设计 2012年6期

徐明鸣，尹鹏

(1.湖南省电力勘测设计院，湖南长沙 410007；2.电力规划设计总院，北京 100120)

1 试验概况

某500kV双回真型试验塔全高52m，根开13.37m，整塔重量63.636t。塔身变坡处至塔腿主材采用十字截面双组合高强角钢，塔身主材规格为Q420 2L160×14及Q420 2L160×16，塔腿主材规格为Q420 2L160×16。双组合角钢节点处均采用双面焊接填板，其余采用单填板螺栓连接。本试验是输电塔真型验证试验，地点为国网北京电力建设研究院杆塔试验站，加荷点通过连有测力传感器的钢丝绳与加荷用液压缸相连，加荷系统为液压闭环自动加荷测控系统。位移测量采用全站仪，应变测量采用应变数据采集仪。

2 试验内容及情况

根据设计，选择了控制杆件较多和具有代表性的工况进行试验。加荷级别按照相关规定【1】，一般工况加载顺序为0－50%－75%－90%－95%－0，超载工况加载顺序为 0－50%－75%－90%－95%－100%－105%－110%－115%－120%。

试验塔顺利通过8项一般工况试验，在最后一项90度大风超载工况试验中，垂直荷载加载至100%，横向荷载加载至85%左右时，内角侧两塔腿主材先后都在第2节间处发生屈曲破坏，导致整塔倾斜倒塌。如图1、2所示，真型试验过程见表1。

图1 内角侧塔腿屈服

图2 塔腿屈服点位置

表1 试验工况及加载情况

3 试验塔受力分析

3.1 屈服破坏点位置

通过试验应变片数据分析可以发现，塔腿主材及辅助材应变变化很不均匀，塔腿斜材在不同节间应变不同，说明塔腿辅助材不再只起支撑作用，而参与到了塔腿的受力体系之中。

塔腿两端刚度较强，中间辅助支撑材因参与塔腿受力体系后对主材的支撑效果与理论计算存在差异。另外由于底部固端次弯矩的作用，增加了弯曲应力，塔腿一但失稳屈曲破坏，首屈服点应该在塔腿中间区域且靠近塔腿板的位置。

3.2 组合角钢受力不均匀

在铁塔理论计算中，组合角钢构件是按整体统一的理想化构件模式参与计算的，即假设组合角钢两肢受力均匀，无相对位移，能协调变形及共同抵抗外力。而通过试验应变测值分析，组合角钢两肢存在应力差。实测结果为：塔身处主材两肢应变差异较小，比例平均值约为1.06～1.12；而塔腿主材两肢应变差异较大，90度大风工况时平均差异比例达1.62。试验主要工况应变数据见表2，应变片布置见图3。

表2 典型工况下主材应变值

图3 应变片布置

基于试验数据，90度大风试验工况加载85%时，塔腿主材轴压力为2190.5kN，按两肢1∶1.62的受力分配比例，内侧单肢压力为1354.4kN，构件规格Q420 L160×16，最小轴回转半径为3.14cm，截面积为49.07cm2。根据相关技术规定【2】【3】，受压构件稳定计算为：

式中：N为压力设计值；φ为构件稳定系数；A为构件毛截面积；Mn为压杆稳定轻强度折减系数。按最小轴失稳计算，单肢构件压应力相对设计强度比值为1.33，相对屈服强度比值为1.21。可见双组合角钢的受力分配及变形破坏并非按理论计算所假设的情况。理论计算未考虑两肢受力不均匀性，构件承载力理论设计值与试验值存在差异，双组合角钢发生屈曲失稳破坏不是双肢同时破坏，而应该是受力较大的单肢某点达到屈服强度而整体失稳破坏。

3.3 考虑组合角钢长细比的修正

有专家提出，双肢组合角钢在轴心受压时，其承载力会受到剪力引起的杆件变形影响。在铁塔理论计算中未考虑这些因素，组合角钢受压长细比的取值及修正按构件两端约束情况而定。在美国、英国和欧洲规范中，对于这样的影响作用都是通过修正组合构件的整体长细比来完成的。这样的修正原则都是通过大量的试验、理论研究以及工程实践得来的。由于目前我国对这方面的研究较少，也缺乏相关的理论总结，建议借鉴国外格构式组合角钢的整体长细比修正方法。即：