输电塔单角钢杆件及节点承载力研究进展综述

2021-01-20肖云凤杨静怡葛怀薇

科学技术创新 2021年1期

肖云凤华超杨静怡葛怀薇

（重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

对于单角钢截面构件的受力不同于矩形截面构件，受力性能更为复杂，等肢角钢其截面特性为单轴对称，截面形心位于面外（角钢截面特征如图1 所示），除了强度破坏影响构件承载能力，构件的稳定性往往对角钢承载能力起着决定性的作用。而国内现有设计规范《钢结构设计规范》GB 50017-2017[1]，相对前一版本《钢结构设计规范》GB 50017-2003[2]，对结构分析与稳定性设计做出了更为详细的规定，受压、受弯杆件强度稳定性规范较为成熟，但是对单角钢受压构件的设计规定仍比较缺乏，条件假设过于简化，因此不少研究学者从输电塔结构的单角钢单面连接构件的强度、稳定性、半刚性以及连接节点等方面深入研究[3-6]，针对现有单角钢受压构件承载能力和连接节点设计的研究进展情况，进行文献研究进展对比分析，阐述角钢构件承载能力研究基础，提出后继角钢构件承载力研究建议。

图1 等肢角钢截面特性

1 单角钢受压构件承载力研究进展

在1744 年，Eular 首次提出了关于弯曲屈曲模式的第一弹性稳定性问题。随着钢材的推广使用，出现细长杆件，根据不同杆端约束条件划分的细长压杆欧拉公式得以广泛应用。十九世纪后期，Engesser F 提出了切线模量，后又提出双模量理论。1946 年，Shanley F.R[3]建立屈服荷载和挠度的关系，论证了双模量荷载理论。

我国规范GB 50017[1]关于轴心受力杆件，规定强度计算方程：

式中：N——轴心拉力或思心压力；

An——净截面面积；

稳定性计算方程：

式中：φ 轴心受压杆件的稳定系数。

规范中，轴心受压杆件稳定系数由李开禧和肖余徽[7-8]通过逆算单元长度法计算得到，并区分a、b、c 和d 等四类不同截面类型的柱子曲线。

2005 年，康强文[9]通过有限元方法分析了单肢单面连接角钢的弹塑性极限承载能力，其考虑了初始几何缺陷和残余应力等因素的影响，最大初始弯曲根据规定出厂条件取1/1000 角钢长度，最大残余应力则参考（Kitipomchai & Lee 1986）取30%屈曲应力进行控制，角钢截面残余应力分布情况如图2 所示。根据有限元分析得出单面连接角钢设计的稳定性折减系数。

式中：λ 为角钢计算长细比λ=0.9 L /iv

图2 角钢截面残余应力分布

近十几年，钢结构稳定性问题得到不断的发展[10-11]，输电塔结构相关试验和有限元研究不断丰富[12-13]。2009 年，郝际平[14]等人对钢结构中等边角钢轴心受压构件，参照我国规范GB 50017和《美国输电塔设计导则》ASCE 10-1997，推导了杆件宽厚比限值的计算公式。2011 年，陈绍蕃[15]考虑屈曲相关性研究了塔架交叉斜材的稳定承载力。2020 年，刘洪义、李正良[16]等人通过真型塔实验得到了一拉一压受力状态下拉压比与交叉斜材极限承载力的关系。

2 角钢构件连接节点设计研究进展

曹现雷，郝际平[17-19]通过高强角钢单边连接压杆承载力研究，得到大长细比屈曲荷载与美国规范对比，设计值偏小。随后，在对高强单角钢两端偏心受压构件的屈曲性能，分析可知构件绕平行于连接板的轴线发生弯曲变形。杨俊芬，战宇皓[20]等人对角钢节点力学性能研究，发现弹性和极限范围内紧固力矩仅对节点滑移阶段影响显著，节点后承载能力影响较小。2016 年，杨垂玮，孟宪桥[21]建立力学模型对架空输电塔中单双角钢变换节点强度和稳定理论分析，提出了节点传递荷载系数。程睿，孙必祥[22-23]试验数据验证了现行规范对单角钢连接节点板承载能力的适用性。胡飞飞[24]等人采用侵入法模拟螺栓预紧，研究螺栓连接节点的半刚性。