Q460输电钢管杆长圆形截面宽厚比限值研究

邓洪洲　庞金来　黎景辉

摘要：为研究Q460输电钢管杆长圆形截面长直边的宽厚比限值，防止管壁局部失稳先于钢管杆强度破坏，首先比较不同规范对方形和箱型截面宽厚比限值的规定，进而确定试验试件的宽厚比参数，并进行了3组不同宽厚比试件的压弯试验；然后利用有限元软件进行非线性数值分析，结合试验结果对试件破坏形态进行考察；最后将试验、有限元分析与按规范计算的承载力进行比较，提出了合理的长圆形截面长直边宽厚比限值。研究结果表明：长圆形截面长直边宽厚比限值参照美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（十二边形）取为29.5，超限部分则按规范中相应公式对受压翼缘截面强度进行折减；若需设置内肋，长直边的宽厚比限值依据美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（四边形）取为31.5是可靠的。

关键词：输电钢管杆；宽厚比；静力试验；有限元分析；长圆形截面；局部失稳

中图分类号：TU392.3文献标志码：A

0引言

随着城市建设的发展，输电线路电压等级提高，杆塔荷载越来越大，对输电钢管杆的要求也越来越高。日本架空送电规程中铁塔用高拉力型钢屈服强度达到520 MPa[1]，欧美国家已大量使用屈服强度450 MPa等级钢材[2]，而中国长期以来输电杆塔所用钢材局限于Q235和Q345两种强度等级，和发达国家相比所用钢材种类少，强度偏低。高强钢能够降低用钢量，经济效益明显，在输电杆塔上有广阔应用前景[3]。

广东某工程的500 kV双回路直线双杆钢管杆主材采用了Q460钢材长圆形截面的钢管。中国规范[4]对该类新型截面特别是Q460及以上高强钢的计算没有规定，规范中与长圆形截面类似的是箱型或方形截面，且对宽厚比超限截面的受压翼缘强度折减没有相关规定。对高强钢在输电杆塔上的研究中国起步较晚，邢海军等[5]研究了Q460圆钢管径厚比及长细比与钢管承载力的内在关系，并得到径厚比的限值。然而目前在输电杆塔上应用的钢材强度等级一般在Q420以下[6]，而对高强钢在长圆形截面钢管杆上的应用研究更少[7]。

在实际工程中，为获得断面较大的回转半径，以减小主材节间长细比，提高断面的承载能力，希望采用较薄壁厚，然而宽厚比较大的断面在较大正应力作用下会出现管壁局部屈曲失稳先于杆件强度破坏，从而达不到试件预期承载力[8]。施菁华等[9]通过对Q460特高压钢管塔真型试验，发现在整塔未倒塌情况下塔脚法兰环板上方出现局部屈曲。因此，对高强钢进行稳定承载力研究相当重要。

钢管杆长圆形截面合理宽厚比限值是设计人员一直关心的问题，本文拟通过模型试验及有限元分析，并与各国相关规范进行比较，推荐合理的长圆形截面长直边宽厚比限值，以供工程设计参考。

1相关规范的规定

综上所述，若试件全部按照边缘屈服准则设计，则当屈服强度fy=460 MPa时，不同宽厚比（25.0～40.0）下的各规范设计强度与屈服强度的比值fa/fy如图2所示，各规范中不考虑局部稳定影响的允许最大宽厚比如表1所示。

规范宽厚比限值ANSI/AISC 360-201029.5ASCE/SEI 48-05（四边形）31.5ASCE/SEI 48-05（十二边形）29.5GB 50017—200328.5通过比较可知，中国规范[4]相对偏于保守，同时，中国规范对超限翼缘截面的设计强度折减未做相关规定。

2试验概况

2.1试件设计

本文工程背景为广东某输电线路工程，取该工程中某塔型下横担附近的一段主材进行试件设计，缩尺比为1∶2。本文试件共设计了3种不同宽厚比的试件，第1种按照实际工程设计，第2，3种通过设置内肋来调整长直边宽厚比，并按照相关规范对箱型截面的对比结果设计其宽厚比参数。根据主管有、无内肋及宽厚比的不同进行命名，各类试件参数如表2所示。每种试件有2个，共6个试件，试件示意如图3所示。内肋尺寸按纵向加劲肋构造要求设计[4]，截面尺寸中L1≤0.2L2，其中L2为长直边长度，即两肋板支承间距离，L1为单边肋板至十二边形圆边支承间距离；无内肋截面十二边形的平直段宽度取值参照《架空送电线路钢管杆设计技术规定》（DL/T 5130—2001）[12]，设计荷载为实际工程中的计算荷载，由于工程设计中杆件留有较大裕度，设计荷载取值偏于保守。

图4为Q460输电钢管杆长圆形截面示意。对于长圆形截面的长直边按照设置内肋与不设置内肋分成2种支承条件，不设置内肋的十二边形圆边对长直边支承为30°支承；设置内肋的长直边支承条件与方形截面（箱型截面）长直边的支承条件相似，为90°支承。图5为试件截面示意。由于各国规范中均没有对长圆形截面长直边宽厚比做规定，因而对于设置内肋的形式参考对方形或箱型截面长直边的规定进行比较分析，而对于未设置内肋的形式参考对十二边形截面长直边的规定进行比较分析。

2.2材料力学性能

本文试验中主管采用Q460C钢材，肋板、法兰板与端板采用Q345B钢材。Q460C与Q345B钢材各3个试件，钢材应力-应变曲线如图6所示。取同材料的3个材性试件平均值作为该种钢材强度的代表值，可得Q460C钢材的屈服强度为521.7 MPa，Q345B钢材的屈服强度为423.2 MPa。

2.3试验加载

本文试验设计了一个横梁与底座。千斤顶的竖向力施加在横梁的两端，横梁通过高强螺栓与试件相连，试件安装在底座上，底座与试验台座通过地脚螺栓相连，试验加载装置如图7所示。本文试验中试件受压弯荷载的作用，通过调整横梁两端加载点到主管形心轴的距离及两端轴压比大小，使主管获得与设计荷载相应的弯矩和轴力。

试验时横梁两端轴力采用分级加载。开始以设计荷载的10%为级数，加载到设计荷载的2倍后，级数改为设计荷载的5%，直至试件破坏。每级加载后持荷5 min，待稳定后记录应变片和位移计的读数。

2.4测点布置

本文试验主要采用应变片、位移计测试主管长直边的受力和变形。每个试件布置3个位移计，其中监测竖向位移2个，水平位移1个；同时，每个试件布置37个应变片，在主管上每隔50 mm布置1行，由有限元初步分析得知应力较大部位分布在环板以下至主管中部的位置，故在该部位的应变片布置较密，测点布置如图8所示，其中，i为应变片所在行编号，i=1，2，…，10。

2.5试验现象

试件W-33.7-1加载至设计荷载的2.3倍时，管壁上部测点1-3首先进入塑性状态，随着荷载的增长，塑性区逐渐扩展，当加载至第4排最后一个测点4-3进入塑性状态时，屈服区域已达管壁总面积的30%，管壁内凹鼓曲变形明显，试件破坏，此时施加荷载为设计荷载的3.07倍，由此判定该荷载为试件的极限荷载，试件W-33.7-1第4排荷载-应变曲线如图9所示，其余试件极限荷载判断方法类似。

试件W-33.7-2加载到设计荷载的3.09倍时，第4排测点全部进入塑性状态，与试件W-33.7-1试验承载力接近，破坏模式均为长直边呈波浪状屈曲，变形部位在试件中部。试件Y-31.7-1，Y-31.7-2试验承载力分别为设计荷载的2.64倍和2.70倍，破坏模式相近，变形部位在试件上部，长直边靠近上环板60 mm左右处内凹破坏。试件Y-28.7-1，Y-28.7-2试验承载力稍有离散，分别为设计荷载的2.70倍和2.55倍，破坏模式为长直边靠近上环板60 mm左右处内凹破坏，与试件Y-31.7相似。

3有限元模型分析

3.1计算模型

本文采用ANSYS对试验模型进行有限元分析，选用壳单元Shell181，采用理想弹塑性材料模型，材料特性取材性试验值，考虑几何缺陷、几何非线性和材料非线性的影响。

ANSYS分析中分别对有、无横梁加载进行了建模。有横梁模型与试验条件一致，荷载施加通过横梁传递；无横梁模型荷载直接施加在试件上，弯矩通过在试件上部端板的两端施加一对力偶形成，该计算模型与工程上试件实际受力状态一致。

3.2破坏模式及荷载-位移曲线

ANSYS分析中塑性区从上环板开始由上往下发展，直到距上环板约160 mm范围内主管长直边全部屈服达到极限承载力为止。图10为试件W-33.7随荷载步增加的塑性发展过程，图11为3种试件有横梁模型的荷载-位移曲线。

.3有限元分析结果与试验结果对比

试验设计为对长圆形截面钢管施加压弯荷载，理论上应在钢管顶部截面形心处施加弯矩和轴力，由于试验无法实现理想加载，因而设置横梁进行加载，即通过在横梁两端施加不同压力，从而对试件施加压弯荷载。为了与试验加载条件一致，ANSYS分析中有横梁模型也通过横梁来加载，所取的耦合节点为试验中主管与横梁的螺栓连接点。表3为试验承载力与ANSYS计算承载力对比。由表3可知，ANSYS计算承载力与试验实测值吻合较好，其计算承载力比试验结果稍大。这是因为试验过程中存在加载偏心和试件加工存在初始缺陷等都会使试验承载力偏低，可见本文有限元计算结果是可信的。

考虑到试验采用横梁施加荷载，这与试件实际受力可能存在差异，本文建立了无横梁有限元模型。有、无横梁模型的计算结果如表4所示。由表4可知，无横梁模型的3.5有、无内肋计算结果对比

试件W-33.7不加内肋截面的规范承载力按照美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（十二边形）计算，fa按式（8）进行折减，加内肋截面的规范承载力则按照ASCE/SEI 48-05（四边形）计算，其中fa按照未折减的屈服强度取值。

由表4还可知，各组试件试验承载力比较接近，但是从试验与规范比值来看，设置内肋的2组试件承载力相对未设置内肋的试件承载力有所提高，因此支承条件对试件承载力有一定影响。

本文采用ANSYS有限元软件分析了试件在不同宽厚比下加内肋承载力f1与不加内肋承载力f2，结果如图13所示。分析结果表明，试件增加内肋以后承载力有所提高，f1/f2平均值为1.07，说明90°支承较30°支承更有利。

4 宽厚比限值的确定

由于试件的试验承载力、有横梁模型承载力较规范承载力略低，而无横梁模型承载力则与试件实际受力状况一致，本文建立了无横梁有限元模型并进行对比分析，以期对试验结果进行修正。由表4可以看出，无横梁模型较有横梁模型承载力均有提高，如果按无横梁模型比上有横梁模型的承载力提高系数对试验值进行修正，最终得到的试验修正值与规范值的比值均大于1。可以认为，设置内肋截面的长直边L2宽厚比限值为31.5是可靠的。针对不设置内肋的试件W-33.7，参照美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（十二边形）进行计算，宽厚比大于29.5，设计强度fa按规范中相应公式进行折减。

可以认为，输电钢管杆长圆形截面长直边宽厚比限值参照美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（十二边形）取为29.5，超限部分则按规范中相应公式对受压翼缘截面强度进行折减。若需要设置内肋，长直边L2的宽厚比限值依据美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（四边形）取为31.5是可靠的，而其他规范所规定的值都偏于过分保守。5结语

（1）长圆形截面试件在压弯荷载作用下，管壁上部首先屈服，随着荷载的增加，塑性区逐渐向管壁下部发展，试件中部开始内凹鼓曲，当屈服区域达到管壁总面积30%时，试件屈曲破坏。长圆形截面试件在压弯荷载作用下，90°支承较30°支承对承载力的提高更为有利。

（2）根据试验结果并按无横梁加载模型有限元计算结果进行修正，可以得出长圆形截面长直边宽厚比限值参照美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（十二边形）取为29.5，超限部分则按规范中相应公式对受压翼缘截面强度进行折减。若需设置内肋，长直边L2的宽厚比限值依据美国杆塔规范ASCE/SEI 48-05（四边形）取为31.5是可靠的。

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