输电铁塔中轴心受压杆件的计算长度取值优化

宋启明

（福建永福铁塔技术开发有限公司 福建 福州 350001）

输电铁塔中轴心受压杆件的计算长度取值优化

宋启明

（福建永福铁塔技术开发有限公司 福建 福州 350001）

本文分析了输电铁塔轴心受压杆件的计算长度以及长细比对稳定强度的影响，通过计算对比不同材质轴心压杆的承载力与强度的关系，得出不同材质各种规格角钢的经济合理计算长度及长细比取值。

轴心压杆；强度；稳定；承载力；长细比

1　引言

由于输电铁塔结构的特殊性，目前绝大多数都是采用空间桁架体系进行分析计算的，通过大量的工程计算分析可知，对于轴心受压杆件，基本上是由其稳定强度控制的。杆件的失稳是由于杆件屈曲突然失去稳定平衡而垮掉的，其材料的应力值一般达不到材料的抗压设计强度，由于失稳破坏是一种没有预兆的，完全是由于杆件的变形突然失去稳定平衡而失效的，所以失稳破坏常常造成比较严重的后果。本文旨在分析对于不同材质不同规格的角钢在轴心受压状态下，通过分段长度的合理取值，充分发挥钢材的抗压强度性能，使其稳定强度与抗压强度基本相当，达到设计的合理与经济性。

2　杆件强度计算方法

对于轴心受压构件，DL/T5154-2012[1]规定强度计算方法如下：

式中：N-为轴心压力设计值；An-为构件的净截面面积；m-为构件的强度折减系数，与构件连接两端的约束及偏心有关；f-为材料的设计强度。

同时，DL/T5154-2012[1]规定轴心受压构件的稳定计算公式为：

3　计算分析比较

输电铁塔结构是按空间桁架体系进行分析计算的，其中的轴心受压杆件一般不考虑弯矩的影响，可按细长的弹性压杆来分析计算，即按照上面的公式进行强度和稳定的计算。一般而言，受压杆件的稳定是保证结构整体安全的控制条件，在设计中，总是通过布置各种支撑杆件以减少主材的计算长度，尽量使其稳定强度能与其受压强度相当，充分发挥材料的特性，达到经济合理的设计。

图1和图2的曲线分别表示了不同材质L140×10与L200× 20角钢随长度增加承载力下降变化关系。

从图1～2中可以看出，随着长度的增加，各种材质的轴心压杆的承载力都是逐步下降的。强度越高，下降的速度越快，当长度大于4.0m后各种材质的角钢承载力基本相同。这主要是由于，在杆件计算长度较小的时候，Q420高强钢的稳定强度比其他较低材质的压杆稳定强度有明显的提高，随着杆件强度的增加，这种稳定强度的提高随即减小，直至消失。Q420屈服强度比Q345屈服强度高20%左右，但承载力的提高则从18%左右开始逐渐下降。即强度越高，稳定系数降低得越快，稳定强度也相应的下降更快。

图1　不同材质角钢随长度增加承载力下降图<一>

图2　不同材质角钢随长度增加承载力下降<二>

通过以上分析可知，不同材质的钢材在相应的计算长度范围内，其稳定强度与抗压强度是基本相当的，可充分发挥材料的性能。钢材的屈服强度越高，随着杆件计算长度的增加，其稳定强度衰减得更快。因此，实际应用中不能一味的追求材料的强度，如何通过合理的优化布置，尽量减小轴心压杆的计算长度，提高其稳定承载力是十分重要的。这与文献[2]的结论是一致的。

同样的问题也可通过长细比来控制角钢的使用情况，图3和图4分别为不同材质L140×10与L200×20角钢随长细比增加承载力变化关系图。

图3　不同材质角钢随长细比增加承载力下降图<一>

图4　不同材质角钢随长细比增加承载力下降图<二>

从图3～4中可以看出，随着长细比的增加，各种钢材的稳定承载力都是逐步降低的，强度越高其下降的速度越快。长细比超过100时，各种钢材的稳定承载力基本是相等的，同时其稳定承载力值也非常低，此时，强度越高，轴心压杆的材料强度承载力越不能得到充分发挥，材料的高强度则无法体现出优势来，此时轴心压杆的破坏纯属失稳破坏。

随着轴心压杆的长细比的减小，其稳定承载力是逐渐接近材料的抗压强度承载力的，轴心压杆的材料强度承载能力得到了一定程度的发挥，但还不是充分的，轴心压杆的破坏仍然处于失稳破坏的范畴。但此时采用屈服强度较高的钢材，还是比较合理的。

当轴心压杆的长细比处进一步减小，使其稳定承载力与抗压强度基本相当时，轴心压杆的材料强度才得到比较充分的发挥，其破坏性质属强度破坏，但实际中这种情况是很少能完全实现的，所以基本上还是由稳定控制的。文献[3]通过轴心压杆稳定系数来比较分析得出结论：当长细比增大时，同一规格Q420对Q345角钢承载力的优势逐渐减小。当长细比在40～80之间，Q420对Q345角钢承载力提高约10～20%，当长细比大于120时，使用高强钢则没有带来效益。

由以上分析可知，采用Q420钢材时，长细比应控制在30～50之间比较合理；采用Q345钢材时，长细比应控制在60～100之间；采用Q235钢材时，长细比应该大于100。这样材料的强度可以得到较充分的发挥。对于长细比大于100的轴心压杆，其临界应力与材料强度是无关的，此时无论采用多么高强度的钢种材料，其临界应力值是基本相等的，采用高强度钢材是十分不经济的。因此，实际设计中一般主材与斜材采用不同强度等级的钢材，塔身主材的长细比λ宜控制在40～80之间；而斜材的长细比λ则应在100～200之间。

综上所述，对于不同材质、不同规格的角钢都有一个比较合理的理论计算长度，能使材料强度比较充分的发挥。本文对实际设计中常用做主材（轴心压杆）的Q420与Q345角钢进行计算归纳，按照稳定强度与抗压强度基本相当的原则来取计算长度，作为实际规划设计时参考，结果如表1所示。

表1　不同材质常用角钢的理论最优计算长度

从表1可以看出，大部分角钢计算长度取值在1.0～1.5m之间能充分发挥材料强度，Q420的屈服强度高于Q345，其合理的计算长度也相应较小。同时，对于一些宽厚比较大角钢，其稳定强度折减的比较多，如表1中的L125×8、L160×10、L180×12等，对于这些角钢采用高强度材质则意义不大。

4　结论

（1）不同材质的钢材在各自一定的计算长度范围内，其材料的强度是能充分发挥的。高强钢随着杆件计算长度的增加，其抗失稳性能的衰减将更快。

（2）对于受力较大、长细比较小的轴心受压杆件，所采用钢材的强度越高越有利，比如采用Q420材质钢材；而对于长细比较大的杆件，高强钢材的优势则不明显。

（3）为了充分体现高强钢的优势，对于受力较大的轴心压杆，其长细比宜控制在30～50左右；对受力较小的轴心压杆，其长细比则应控制在50～100之间较合理。

（4）实际设计中，可参考表1选择合理的长度进行输电铁塔结构的规划与布置。

[1]《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）[S].

[2]梁浩.Q420高强钢在输电线路铁塔上的应用研究[J].上海电力，2009，3：298～303.

[3]郭日彩，何长华，等.输电线路铁塔采用高强钢的应用研究[J].电网技术，2006，30（23）：21～25.

[4]李正良，刘红军，等.Q460高强钢在1000kV杆塔的应用[J].电网技术，2008，32（24）：1～5.

[5]施刚，刘钊，等.高强度角钢轴心受压构件稳定设计方法研究[J].工业建筑，200，39（6）：18～21.

TU391

A

1673-0038（2015）18-0183-02

2015-4-12