（土木工程专业论文）双角钢十字组合截面偏压杆承载力试验研究.pdf

j 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师虢霉盈复，眺 k i - i 摘要 摘要 我国的输电铁塔主材多采用单角钢；随着近年来雨雪冰冻灾害的增多，单角 钢主材承载力在较多情况下无法满足荷载增加的需求，需要加固。如果采用更换 主材或重新设计的方法，则必然影响到社会生活的正常运行。因此，为了在不影 响输电铁塔j 下常工作的情况下提高其主材承载力，采用在原主材背面附加一个相 同截面角钢( 副主材) 是一种行之有效的加固方式。 在原主材背面附加一个副主材后截面成为双角钢十字组合截面，由于受力是 由原主材传递给副主材，杆件成为偏心受压杆件。目前，对于双角钢十字组合截 面轴心受压承载力研究较多而对其偏心受压承载力研究较少，现行钢结构设计 规范( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 2 ) 及架空送电线路杆塔结构设计技术规定 ( d l 5 1 5 4 2 0 0 2 ) 等都没有明确给出双角钢十字组合截面偏心压杆承载力的设计 计算方法。 本次试验主要研究在铁塔单角钢主材( 原主材) 背面附加一个相同规格的主 材( 副主材) 组成的十字截面偏心压杆的承载力以确认其加固效果，并对其承载 力计算方法进行探讨。试验分为构件试验和模型塔试验，构件试验包括q 2 3 5 材 质的单角钢构件和双角钢十字型截面构件，共两种类型；模型塔试验按照1 ：1 比例制作了铁塔局部模型，分别采用q 2 3 5 和q 3 4 5 材质的单角钢主材和双角钢 十字型组合截面主材，共四种类型。通过对比试验值和计算值，推出双角钢十字 组合截面偏心压杆合理的设计计算方法。 研究结果如下： ( 1 ) 采用十字组合截面后，双角钢十字截面主材本身的承载力相比单角钢 主材的承载力有了较大幅度的提高，幅度达6 8 - - 8 5 。 ( 2 ) 当模型塔单角钢主材改为双角钢十字组合截面主材后，主材为q 2 3 5 和q 3 4 5 材质的模型塔本身的承载力都有了较大幅度的提高，幅度达6 8 - - - - 7 1 。 ( 3 ) 采用一字型填板连接形成的双角钢十字组合截面构件在偏心受压时的 承载力可按本文所提公式( 4 3 ) 计算，具有较好的精度。 关键词：角钢；十字组合截面；偏心受压；承载力 一 1 摘要 a b s t r a c t m a n ys i n g l ea n g l em a i nm a t e r i a lt r a n s m i s s i o nt o w e r sa l eb e i n gu s e di no u r c o u n t r y ；w i n l l es n o wa n di c ed i s a s t e ri n c r e a s i n gi nr e c e n ty e a r s ，b e a t i n gc a p a c i t yo f s i n g l ea n g l em a i nm a t e r i a lc a n tm e e tt h ei n c r e a s i n gl o a d i n gd e m a n di nm o r ec a s e s a n dn e e dr e i n f o r c e m e n t i tw i l ld e f i n i t e l ya f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no fs o c i a ll i f ei f r e p l a c eo rr e d e s i g nt h em a i nm a t e r i a l t h e r e f o r e ，a t t a c h i n ga na n g l e ( a s s o c i a t em a i n m a t e r i a l ) o ft h es a m es i z eo nt h eb a c ko ft h eo r i g i nm a i nm a t e r i a li sa ne f f e c t i v ew a y o fs t r e n g t h e n i n gi no r d e rt oi m p r o v et h eb e a t i n gc a p a c i t yo fm a i nm a t e r i a lw i t h o u t a f f e c t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no ft r a n s m i s s i o nt o w e r s s e c t i o nc h a n g ei n t od o u b l ea n g l ec r o s ss e c t i o na f t e ra t t a c h i n ga s s o c i a t em a i n m a t e r i a lo nt h eb a c ko ft h eo r i g i nm a i nm a t e r i a l c o m p o n e n t sb e c o m et oe c c e n t r i c p i e c e sb e c a u s et h em a i nf o r c ei sp a s s e dt h o u g ht h eo r i g i nm a i nm a t e r i a lt ot h e a s s o c i a t em a i nm a t e r i a l b u t c u r r e n t l y , t h e r ea r em o r er e s e a r c h e so nt h eb e a r i n g c a p a c i t yo fd u a l - a n g l ec r o s s - s e c t i o na x i a lc o m p r e s s i o nc o m p o n e n tt h a ne c c e n t r i c c o m p o n e n t t h ea c t i v ed e s i g nc o d ef o r 廿1 es t e e ls t r u c t u r e s ( g b 5 0 0 17 2 0 0 2 ) a n d t e c h n i c a lr e g u l a t i o no fd e s i g nf o rt o w e ra n dp o l es t r u c t u r e so f o v e r h e a dt r a n s m i s s i o n l i n e ( d 【5 5l5 4 - 2 0 0 2 ) a r en o te x p l i c i t l yg i v et h ed e s i g nm e t h o d so fc o m b i n e dd o u b l e a n g l e c r o s s s e c t i o no fe c c e n t r i c c o m p r e s s i o nm e m b e r s a l lt h e s e sa f f e c tt h e a p p l i c a t i o no ft h ec o m b i n e dd o u b l ea n g l ec r o s s s e c t i o no fe c c e n t r i cc o m p r e s s i o n m e m b e r s t 1 1 i st e s tm a i n l yr e s e a r c ht h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc r o s sc o m b i n a t i o ns e c t i o nm a i n m a t e r i a lc o m p o s e db ya t t a c h i n gam a i nm a t e r i a l ( a s s o c i a t em a i nm a t e r i a l ) o f t h es a m e s i z eo nt h eb a c ko ft h es i n g l ea n g l em a i n m a t e r i a l ( o r i g i nm a i nm a t e r i a l ) t oc o n f i r mi t s s t r e n g t h e n i n ge f f e c t ， a n dt o e x p l o r e i t s c a p a c i t yc a l c u l a t i o n t h et e s ti n c l u d e c o m p o n e n tt e s ta n dm o d a lt e s t ，c o m p o n e n tt e s ti n c l u d eq 2 3 5m a t e r i a ls i n g l ea n g l e a n dd u a l 。a n g l e ( , t o s ss e c t i o nc o m p o n e n t ，at o t a lo ft w ot y p e s ；m o d a lt o w e rt e s t p r o d u c eap a r t i a lm o d e lo ft o w e ri na c c o r d a n c ew i t ht h er a d i oo f1 ：1 i n c l u d es i n g l e a n g l ea n dd u a l a n g l ec r o s ss e c t i o nm a i nm a t e r i a lw i t hq 2 3 5a n dq 3 4 5m a t e r i a l a t o t a lo ff o u rt y p e s i n f e rr a t i o n a l d e s i g nm e t h o d so fc r o s s s e c t i o no fe c c e n t r i c c o m p r e s s i o nm e m b e r sb yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e sa n dc a l c u l a t e dv a l u e s t h es t u d y i n gr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd u a l - a n g l ec r o s ss e c t i o nm a i nm a t e r i a li n c r e a s ea ta r a t eo f6 8 t o8 5 c o m p a r e dw i t hs i n g l ea n g l em a i nm a t e r i a l ( 2 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft o w e rm o d a lw i t hq 2 3 5a n d q 3 4 5m a t e r i a li n c r e a s e a tar a t eo f6 8 t o71 w h e nt h et o w e rm o d a l ss i n g l ea n g l em a i nm a t e r i a lr e p l a c e d b yd u a l a n g l ec r o s ss e c t i o nm a i nm a t e r i a l ( 3 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fd u a l a n g l ec r o s ss e c t i o nc o m p o n e n t sc o n n e c t e di nt h e f o r mo fs t r a i g h tl i n ei nt h ec a s eo fe c c e n t r i cc o m p r e s s i o nc a nb ec a l c u l a t ew i t h t h e 北京t 业大学t 学硕十学位论文 f o r m u l a ( 4 - 3 ) a n dh a v eag o o da c c u r a c y k e y w o r d s ：a n g l ei r o n ；c r o s s s e c t i o n ；e c c e n t r i cc o m p r e s s i o n ；c a p a c i t y i v _一 _ 一 - i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论一1 1 1 前言。1 1 2 输电线路杆塔结构的发展与研究现状2 1 3 双角钢十字组合截面压杆的研究现状3 1 4 目前存在的主要问题及本文主要研究内容5 1 4 1 目前存在的主要问题5 1 4 2 本文主要研究内容5 第2 章双角钢十字组合截面偏心压杆的试验研究7 2 1 试验方法、目的和主要内容7 2 1 1 试验方法7 2 1 2 试验目的8 2 1 3 试验内容8 2 1 4 材性试验结果9 2 2 试验装置的要求和基本原理9 2 2 1 试验装置的要求9 2 2 2 试验装置的基本原理l l 2 3 试验加载制度和数据采集方案1 2 2 3 1 试验加载制度1 2 2 3 2 数据采集方案1 2 2 4 试验结果1 5 2 4 1 试验构件失稳形态描述及破坏形态15 2 5 试验数据分析2 2 2 5 1 力位移曲线2 2 2 5 2 力应变曲线2 3 2 6 试验承载力2 5 2 7 组合效果分析2 6 2 7 1 主材承载力的确定及其组合效果分析2 6 2 7 2 模型塔组合效果分析2 7 2 8 本章小结2 7 第3 章双角钢十字组合截面偏心压杆有限元分析2 9 3 1 概j 苤2 9 3 2 有限元单元简介2 9 3 2 1 单元介绍3 0 3 2 2 受压构件稳定性的有限元非线性分析3 1 3 2 3a n s y s 中s h e l l l8 1 单元的啦标及刚度一3 2 3 2 4s h e l l 181 薄壳单元3 3 3 3 有限元分析过程3 6 3 3 1 建模及网格划分3 6 v 北京t 业人学一r ：学硕十学何论文 3 3 2 求解3 7 3 4 有限元分析3 8 3 4 1 试验构件有限元分析与实际破坏形态对比3 8 3 4 2 有限元分析结果3 9 3 4 3 有限元分析值与试验值对比4 l 3 5 本章小结4 2 第4 章双角钢十字组合截面偏心压杆承载力计算4 3 4 1 双角钢十字组合截面偏心压杆承载力的计算4 3 4 1 1 计算长度的确定4 3 4 1 2 构件长细比的确定4 4 4 1 3 承载力计算4 4 4 1 4 偏压杆承载力试验值与计算值的对比4 5 4 2 双角钢十字组合截面偏心压杆承载力计算方法的探讨4 5 4 3 本章小结4 7 结论与展望4 9 参考文献5l 附录轴心压杆体系在侧向支撑作用下的稳定性5 5 硕士期间发表的学术论文及参与的科研项目5 9 致 射6 1 v l l - 第l 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 输电线路是电力能源系统中将电能进行传输、调节和分配的重要生命线工程 结构。随着社会经济的迅猛发展及能源供求矛盾的日益尖锐，人们对于能源的开 发逐渐涉及到了以前技术条件难以涉足的区域，对电力输电线路的设计和施工提 出了新的要求。尤其是输电线路建设造价越来越高，仅5 0 0 k v 的线路即可达到 1 0 0 0 万元公里，因此输电线路结构体系的安全性及稳定性成为整个电力输送系 统设计和维护的主要目标。 目前，世界各国工业迅猛发展，要求电力也越来越迫切。由于发电厂及整个 电力系统容量的日益增加，电力网的电压等级也不断提高，形成输电线路距离远、 电压高的特点。高压电力线路从早期的l k v 电压线路发展到现在的5 0 0 k v ，7 3 5 k v 甚至更高的超高压电力网。目前，欧洲输电线路最高电压为4 0 0 k v ，日本和我国 最高电压为5 0 0 k v ，美国、加拿大最高电压为7 3 5 k v ，同时正在试验研究1 0 0 0 k v 以上的特高压输电线路。 近年来，随着我国国民经济高速发展，我国电力事业高速发展，电力建设不 断升级，国家用于高压输电线路的投资日益增加，全国各大区电网连网、特高压、 区域内大容量( 大导线) 或同塔多回输电线路将大量出现。铁塔作为电力网的重 要组成部分，它的造价在电网建设中占较大比重，它的安全直接关系到电网的安 全。我国幅员辽阔，是世界上少数几个送电线路大国之一，每年用于送电线路铁 塔的钢材高达1 0 0 万吨。因此，合理地设计铁塔主材受压构件，不仅有着良好的 经济意义，而且对保证铁塔结构的安全性从而保证电网安全运行有着重要的意义 i l - 2 】 0 与此同时，输电线路架设的地区其地形、气候等环境条件的复杂多变，架空 高压输电线路承载结构体系也发生了巨大的变化，如其中塔架结构从早期功能及 形状单一的木制杆塔，发展到现在功能复杂、形状多样的钢筋混凝土及型钢材料 格构式塔，高度可达几十米甚至上百米，而输电线路档距则从早期一般不超过 1 5 0 米发展到现在经常需采用超过1 0 0 0 米的档距。 输电塔作为一种高耸结构，是一种特殊的结构形式，它具有高度高、重量相 对较轻、刚度相对较小、外形细长等特点，高度可达几百米，长细比可达几十甚 至上百。可能作用在大跨越输电塔上的外部荷载包括风荷载、地震荷载、雪荷载、 裹冰荷载、温度效应以及基础不均匀沉降等，根据功能、场地环境的不同，在设 计时可能采用彳i 同的组合方式。输电铁塔的高柔特性使其在倚载的作用下显得比 较脆弱。在我罔，输电塔的破坏情况还足比较严重的。 北京一l = 、i k 火学t 学硕十学位论文 从2 0 0 8 年1 月1 0 日开始，我国华中、华东部分地区出现长时间持续的大强 度、大范围低温雨雪冰冻天气，导致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的电网 发生倒塔、断线、舞动、覆冰闪络等多种灾害，湖南电网1 4 条5 0 0 k v 、4 4 条2 2 0 k v 和1 2 1 条1 1 0 k v 线路停运；江西电网1 7 条5 0 0 k v 、5 7 条2 0 0 k v 和1 6 8 条1 1 0 l ( v 线路停运；浙江电网2 3 条5 0 0 k v 、2 1 条2 2 0 k v 和1 4 条1 1 0 k v 线路停运，“西电 东送”大通道江城、宜华5 0 0 k v 直流线路损坏严重，河南、重庆、四川等地的电 网也受到不同程度的冲击和破坏。雪灾造成国家电网公司直接财产损失达1 0 4 5 亿元，灾后电网恢复重建和改造需要投入资金3 9 0 亿元。对电网的安全稳定运行 带来严重影响1 3 - 7 1 。之后，全国各地对原有输电铁塔进行加固补强是一项紧迫而 重要的任务。 在冰雪灾害中，倒塔对线路正常运行的影响最大，恢复重建也最为困难。此 次灾害中，铁塔压坏主要是由于导地线、铁塔等的自重加上覆盖在其上的冰层的 作用，超过了铁塔的实际承压能力，铁塔的主材或斜材发生受压屈曲破坏，导致 整个铁塔破坏倒塌。按照j x l 速2 8 m s ，导线l g j 2 4 0 4 0 以及地线g j 5 0 进行计算 校核，当水平档距小于3 2 0 m ，垂直档距小于4 5 0 m 时，可以通过增加辅助材支 撑来减小主材的计算长度，从而减小主材的应力的加固方法来满足设计要求；当 实际风速超过2 8 m s ，水平档距超过3 2 0 m ，垂直档距超过4 5 0 m 时，通过增加辅 助材支撑的加固方案将无法满足设计的要求。 1 2 输电线路杆塔结构的发展与研究现状 近年来，随着我国电网建设的不断加强，输电线路杆塔得到了前所未有的发 展，杆塔从早期的木杆、混凝土杆发展到现在普遍采用的钢结构塔；塔重从单基 重量1 吨2 吨，发展到现在最大单基塔重3 9 8 0 吨；塔高从几米发展到我国2 0 0 4 年l o 投产建成的世界输电第一高塔江阴长江大跨越塔，塔高达到3 4 6 5 米。 改革开发以来，我国3 3 0 k v 及5 0 0 k v ( 尤其是5 0 0 k v ) 线路建设得到了迅猛发 展，目前，我国电网建设的速度居于世界前列。电网的这种快速发展也带动了输 电铁塔结构的快速发展。 输电线路杆塔是支撑架空输电线路导线和地线并使它们之问以及与大地之 间保持一定距离的杆形或塔形的建筑物。其安全可靠性直接关系到整个输电线路 的安全运行。在架空输电线路工程中，杆塔建设费用约占本体投资的3 0 甚至以 上，直接决定着线路的经济性。随着我国高压电网的建设以及同塔多回线路、紧 凑型线路、大截面导线等输电新技术的推广应用，输电线路电杆塔大荷载、大型 化的趋势同益明显。“资源节约型”、“环境友好型”社会的建设、大电网的安全稳 定性、气候变化复杂异常对杆塔结构的安全可靠性、经济性、环保性能等都提出 了更高的要求。输电线路杆塔结构研究哺。叫面临新的挑战。 。 l 第1 章绪论 在输电线路铁塔设计中的等边角钢，对一些受力比较大或比较长的杆件常采 用由两个等边角钢的组合断面杆件，包括t 型截面和十字型截面两种形式1 1 1 - 1 2 ， 如图1 1 、1 2 所示。前两者为单轴对称截面，由于形心与剪心的不重合，单轴 对称截面构件轴心受压时除绕主轴为弯曲屈曲外，绕对称轴和其它任意轴失稳时 均呈弯扭屈曲，在设计这种杆件时，多数单位采用按中心受压杆件计算，杆件中 间设置若干片，以使两个角钢成为一个整体，垫片间的间距不大于4 0 r ( ，为单 根角钢的平行轴回转半径) 。而双角钢十字型截面构件轴心受压时，由于其截面 扇形惯性矩近似为零，其屈曲形式往往为扭转屈曲。 t 型截面组合构件通常用于钢桁架结构上，也用于支撑和网架结构中。通常， 这些结构由节点连接引起的杆件次弯矩不大，在设计中把杆件作为轴心受力构件 来考虑。但这种组合截面在连接上存在较大的相对偏心率，当发生屈曲失稳时， 由于断面上压应力分布有较大不均匀性等原因，其承载能力远较中心受压计算值 为小。研究表明，这类杆件宜按偏心受压计算，同时宜将螺栓准线向角钢棱线方 向靠近力求减小相对偏心率以策安全。 ll j 。l| 图1 - 1t 型截面 f i g 1 - 1t - s e c t i o n _ e 孕z z z z ? z z 弧 墨 i 图1 - 2 十字型截面 f i g 1 - 2c r o s s - s e c t i o n 1 3 双角钢十字组合截面压杆的研究现状 我国的输电铁塔主材多采用单角钢t 1 3 - 1 7 1 ；随着近年来雨雪冰冻灾害的增多， 单角钢主材承载力在较多情况下无法满足荷载增加的需求，需要加固。如果采用 更换主材或重新设计的方法，则必然影响到社会生活的正常运行。因此，为了在 不影h 向输电铁塔j 下常工作的情况下提高其主材承载力，采用在原主材背面附加一 个相同截面角钢( 副主材) 是一种行之有效的加固方式。 在铁塔主材( 原主材) 背面附加一个相同规格( 或比主材规格略小) 的主材 ( 副主材) 组成双角钢十字型组合截面构件她们对塔身主材进, 7 ：d l i 固补强。由 于受力足由原主材传递给副主材，杆件成为偏心受压杆件，这是一项工程施工简 单、速度快的技术措施。但这l f d n 同方法目前还没有相关的理论作为支撑，更重 要的是缺少与杆件稳定性相关的计算依据。目前，国内外对于这类构件承载力研 北京+ i ：、i p 人学。l j 学硕十学侮论文 究甚少。 对于诸如输电铁塔、通讯铁塔、空间网架等此种类型的钢结构，由于荷载作 用和钢构件的连接特性，受力构件的特点是同时承受轴力和弯矩作用，但以轴力 为主，弯矩为辅。 双角钢在2 2 0 k v 及以上输电线路铁塔的设计中应用广泛，国内外关于输电 铁塔中双角钢组合截面压杆的研究越来越多。另一方面，越来越多的专家学者对 于双角钢在输电铁塔中的承载力进行了相关的试验和研究。目前，输电铁塔设计 主要依据1 1 0 k v - - 5 0 0 k v 架空送电线路设计技术规定( d l t 5 0 9 2 1 9 9 9 ) 配和 钢结构设计规范( g b j l7 2 0 0 3 ) 1 2 2 1 这两个规范应用的是8 8 钢规眨3 1 的条 文，在8 8 钢规中，该类型截面的构件只计算其弯曲屈曲，考虑稳定系数折 算和按b 类截面验算其稳定承载力，对其可能发生的扭转屈曲未作特别规定。 随着钢结构应用的日益广泛，对钢结构的研究也同益深入，钢结构的设计和 验算不仅涉及到承载力是否满足荷载要求，钢结构的稳定姒3 1 验算也己成为保 证建筑物可靠性的关键问题。 从目前国内外出现的有关钢结构的事故来看，钢结构的失稳事故不少是由于 设计者的经验不足，对结构或构件的稳定性能考虑不周概念不清等因素造成了一 般性结构设计中不应有的薄弱环节。钢结构的稳定问题是钢结构设计中的重要问 题，因为一旦出现了钢结构的失稳事故，会给人们带来经济和生命的双重损失， 所以，在钢结构设计中，尤其要重视其稳定性。 由于钢结构的稳定性能已经成为决定结构承载能力的一个重要因素，所以就 必须在应用中完善钢结构的理论计算与设计方法，更加合理科学的考虑钢结构的 稳定问题。正确的认识其受力状态及其对稳定的影响是对构件极限承载力进行准 确判断的关键所在。 新钢规规定：双轴对称的十字型截面构件，可按实腹式构件进行计算，其长 细比取值不得小于5 0 7 b t 。即2 = m a x ( ) t 工，力y ，5 0 7 b t ) ，然后按名= 查得 稳定系数彩。 双角钢十字型组合截面构件在荷载作用下，容易发生弯扭失稳，弯曲变形和 扭转变形的耦合使其屈曲荷载下降，但目前颁布的架空送电线路杆塔结构设计 技术规定( d l 5 1 5 4 2 0 0 2 ) 1 中仅规定了轴心受压构件及受压同时受弯构件的 局部稳定计算公式。 但这两种规范都未考虑十字型截面中双角钢构件的组合程度，且双角钢十字 型截面构件在偏心受压状态下是局部失稳还是整体失稳尚待确定，这使得铁塔偏 心受压杆件的设计存在一定的安全隐患，有必要进行进一步的研究。 4 第1 章绪论 1 4 目前存在的主要问题及本文主要研究内容 1 4 1 目前存在的主要问题 从目前的研究现状和现行的规范来看，尽管双角钢十字型组合截面构件在输 电铁塔中得到了一定程度上的应用和发展，但仍存在如下问题： 等边双角钢十字型组合截面偏心受压构件，其目前计算公式按架空送电线 路杆塔设计技术规定中8 1 4 条进行。此计算公式是把计算截面作为一个完整 的整体来考虑，但十字型截面中双角钢的组合程度尚待确定。 1 4 2 本文主要研究内容 鉴于上述目前的研究现状以及对现存问题的分析，本文运用试验研究与有限 元分析相结合的方法，研究如下内容： ( 1 ) 对比单角钢轴心受压构件和双角钢十字型组合截面偏心受压构件的承 载力，分析构件加固组合后承载力的提高幅度，以验证加固方法的可行性； ( 2 ) 通过对比不同构件的承载力，分析十字型组合截面中双角钢构件的组 合程度，并提出关于双角钢十字型组合截面偏心受压构件合理的计算公式。 北京。州k 大学丁学硕十学位论文 6 、 一 第2 章双角钢组合十字型偏心乐杆的试验研究 第2 章双角钢十字组合截面偏心压杆的试验研究 钢结构的构造力求简单，并使结构受力明确，各力与杆件的重心线( 或螺栓 准线) 尽可能交汇于一点，力求减小偏心。本次研究除了模拟铁塔主材受力情况 的构件试验，还特别按照l ：l 比例制作了铁塔局部模型。通过构件试验和模型塔 试验获得主材截面组合后承载力的提高效果。 2 1 试验方法、目的和主要内容 2 1 1 试验方法 1 、构件试验： 通过背靠背的方式在铁塔单角钢原主材( 顾名思义，原主材即铁塔中原有的 轴心受压主材) 背面用一字板连接的形式附加一个相同规格的主材( 副主材) 对 塔身主材进行加固，主材组合前后形式如图2 1 所示。主材与副主材连接板位置 如图2 - 2 所示，其中，a 位于杆件中间位置，b 、c 位置均位于距杆件两端1 4 杆 长位置，填板厚度为8 m m 。 嚯 原主材 b 。 加蓑点 阱 组合曹组合后 图2 1 主材组合前后形式图 f i g 2 一lt h ef o r mo fm a i nm a t e r i a lb ec o n n e c t e d b e f o r ea n da f t e r 2 、模型塔试验： 正面侧面 图2 - 2 主材与副主材的连接位置示意图 f i g 2 - 2c o n n e c t i o nl o c a t i o no f m a i nm a t e r i a l t oa s s i s t a n tm a t e r i a l 一般塔身是四个空间桁架，塔身横截面为梯形或矩形，本次试验根据实际铁 塔原型采用梯形横截面，对真实输电塔的某一局部采用l ：l 的比例制作模型， 其底部固定。对于采用组合截面主材的模型塔，其原主材与副主材之间全部采用 一字板连接，连接位置为斜材或辅助材连接处，原主材上不需要新打连接螺栓孔， 而利用原来的连接螺栓孔。斜材和辅助材尽可能与主材直接连接，当采用连接板 时，板的尺寸尽量的小，并有足够的强度和刚度保证，与构件试验相同，填板厚 度取为8 m m 。通过试验加载，确定主材加固前后不同材质主材的模型塔以及受 压主材的承载力的大小。试验模型正侧面如图2 3 、2 4 所示： 7 北京。i ：、i k 人学t 学硕十学位论文 图2 - 3 模型塔装置正面图 f i g 2 - 3f r o n tv i e wo f m o d e lt o w e re q u i p m e n t 2 1 2 试验目的 图2 _ 4 模型塔装置侧面图 f i g 2 _ 4s i d ev i e wo fm o d e lt o w e re q u i p m e n t 本次试验的主要目的是通过构件试验和模型塔试验及其理论分析，着重研究 主材组合前后承载力的变化情况、破坏特征及失稳形式，并对主材的失稳现象、 应力应变曲线和应力位移曲线进行分析，探讨原主材与副主材背靠背组合方式 的可行性。对比组合前后主材自身承载力以及模型塔整体的承载力，分析主材采 用十字截面后承载力的提高效果，确定主副材的协同工作程度，进而推出双角钢 十字组合截面偏压杆的承载力计算公式。 2 1 3 试验内容 为了获得精确的试验数据，试验分为构件试验和模型塔试验。 构件试验选取q 2 3 5 材质的角钢d 8 0 x 6 ，制作相同几何长度的构件，组合构 件采用一字型填板( 与试件材质相同) 连接，进行两端铰接约束条件下的试验研 究。 模型塔试验选取q 2 3 5 和q 3 4 5 两种材质的角钢 3 8 0 x 6 ，主材采取单角钢和 双角钢组合截面两种形式，组合构件采用一字型填板( 与试件材质相同) 连接。 螺栓均采用6 8 级，m 1 6 x 6 5 。 试验方案如表2 1 所示。 表2 - 1 试验试件表 t a b 2 - 1t e s ts p e c i m e nt a b l e 试件类型主材 副主材填板形式 儿何k 度( m m ) 主副材材质 l l 8 0 x 63 0 1 0 2 l 8 0 x 6l 8 0 x 6一字板 3 0 1 0 q 2 3 5 模巧! 塔1l 8 0 x 6 3 0 l o 模型塔2 l 8 0 x 6l 8 0 x 6 一字板 3 0 1 0 模型塔3l 8 0 x 6 3 0 1 0 q 3 4 5 模璎塔4l 8 0 x 6l 8 0 x 6一字板 3 0 l o 第2 章双角钢组合十字型偏心压杆的试验研究 2 1 4 材性试验结果 构件实测截面面积、材料屈服强度、弹性模量及伸长率见表2 2 ，材料的应 力应变关系曲线见图2 5 、2 - 6 。从表2 2 和图2 5 、2 - 6 可以看出，材料弹性模 量、伸长率及应力应变关系正常，说明试验所用材料是合格的。 表2 - 2 试验构件材性试验结果 t a b 2 - 2t e s tr e s u l t so f m a t e r i a lq u a l i t y 实测面积 屈服强度极限强度 弹性模量 伸长率 试件材质 ( n l r n 2 )( m p a )( m p a ) ( n r a m 2 )( ) l 8 0 x 61 6 9 3 73 1 3 2 24 3 7 3 22 1 3 x 1 0 02 3 5 7 l 8 0 x 61 7 3 0 22 9 7 7 74 3 0 5 32 0 3 x1 0 02 8 1 2 l s 0 x 6 q 2 3 5 1 7 2 0 23 0 3 1 0 4 3 3 2 6 2 0 8 x1 0 02 7 2 3 均值 1 7 1 4 73 0 4 7 04 3 3 7 l2 0 8 x 1 0 62 6 3 l l 8 0 61 5 4 6 23 7 4 2 05 0 2 7 72 0 9 x1 0 02 2 5 4 l 8 0 x 61 6 0 1 63 7 4 6 24 6 5 3 51 9 8 x 1 0 61 9 8 6 l 8 0 x 6 q 3 4 5 1 6 6 0 63 6 8 4 84 8 2 7 22 0 l x l o o2 7 2 3 均值1 6 0 2 8 3 7 2 4 4 4 8 3 6 1 2 0 2 x1 0 6 2 3 2 1 一j 厂一 ol23456 应变l o e 一6 ) 1 0 e 4 图2 - 5q 2 3 5 应力砬变关系图线 f i g 2 - 5g r a p ho fq 2 3 5s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p 2 2 试验装置的要求和基本原理 2 2 1 试验装置的要求 图2 - 6q 3 4 5 应力应变关系图线 f i g 2 - 6g r a p h o fq 3 4 5s t r e s s s t r a mr e l a t i o n s h i p 为了达到试验目的，使得试验情况更加接近实际铁塔的客观条件，得到更加 精准的试验数据，要求试验装置能够充分考虑主材受到的支撑作用和铁塔承受的 诸多荷载因素，客观反应实际结构主材的受力状态。 2 2 1 1 构件试验装置 根据l1 0 z g u 铁塔杆件布置形式，为了模拟实际结构主材的受力状态，构件 9 北京 ：j l k 人学r r 学硕+ 学位论文 试验充分考虑斜材以及辅助材对主材的支撑作用，构件连接形式以及试验装置如 图2 7 、2 8 所示。 图2 7 构件试验装置示意图图2 - 8 构什试验装置实物图 f i g 2 7s k e t c hm a pc o m p o n e n to ff i g 2 8p h y s i c a lm a pc o m p o n e n to f e x p e r i m e n td e v i c ee x p e r i m e n td e v i c e 根据上述构想，要求构件的试验设备、加载装置能使被试构件尽可能合理的 模拟实际构件的约束条件和变形情况，且应有结构简单、传力清晰、施加荷载准 确、试件安装拆卸方便等特点。其中最为关键的是：被试构件端部约束形式的模 拟及主材上面的侧向支撑应尽可能的使其与实际构件受力相符合。 构件试验研究塔身主材采取加固补强措施后其承载能力的提升情况，由于加 载点位于构件原主材截面形心位置，故对于十字组合截面构件而言，均为偏心受 压构件。 2 2 1 2 模型塔试验装置 根据实验要求，模型塔的加载点位于塔架顶节间右侧前后两个节点上，要求 同步加载。在实际应用中，铁塔本身承受的荷载一般分解为横向荷载、纵向荷载 和垂向荷载，包括铁塔自重、导线底线的自重、风荷载、覆冰荷载、以及由于结 构变形引起的次生荷载和地震引起的荷载等。本次试验主要为了研究主材加固性 能，在充分考虑实际应用中荷载的前提下，尽量使竖向荷载大一些，因此设计竖 向分力与水平分力的比例为3 1 。为了达到试验要求，设计了如图2 - 9 所示的加 载装置。模型塔塔脚固定，图中分配梁一侧与塔的两个加载节点相连，加载节点 位于原主材形心处，液压顶连接到分配梁的正中，调整液压顶的高度使其与水平 方向的角度符合试验要求的角度值。这样既满足了两个节点的同步加载，又保证 了加载的角度。加载装置实物图如图2 1 0 所示。 第2 章双角钢组合十字型偏心压杆的试验研究 图2 - 9 模型塔加载装置示意图 f i g 2 9s k e t c hm a po f m o d e lt o w e r l o a d i n ge q u i p m e n t 2 2 2 试验装置的基本原理 图2 1 0 模型塔加载装置实物图 f i g 2 - 1 0p h y s i c a lm a po f m o d e lt o w e r l o a d i n ge q u i p m e n t 试验装置的基本功能：1 、试验装置完全能够满足端部约束条件；2 、考虑斜 材以及辅助材对主材的支撑作用的要求。 根据对杆塔结构常见杆件端部约束条件特点的反复分析比较，在反复比较其 他相关试验装置、征询相关专家意见及建议的基础上，认为如下装置可以满足本 次试验所有构件试验工况的要求。 设计过程中主要考虑了：约束条件的真实模拟、支座端部的侧移以及主材材 身的支撑等问题。试验过程中传力路线如下：加载器施加的力通过测力传感器、 模拟约束条件、夹具顶板传至被试杆件。实际加载装置如图2 1 1 2 1 3