等肢角钢受压构件高温整体稳定性：基于临界温度法的Q420输电塔构件评估

《Applied Sciences》：Intraday Dispatch Strategies of Battery Energy Storage Systems to Smooth the Duck Curve: A Real-Life Brazilian Case

　　

研究人员针对山地森林火灾等均匀高温环境下输电塔等肢角钢（equal-leg angle-steel）主材与斜材受压稳定性退化问题，基于Abaqus建立考虑钢材温度依赖性材料本构的壳单元（shell element）有限元模型，对Q420钢等肢角钢在铰-铰（pinned–pinned）、固-固（fixed–fixed）及偏心-铰（eccentric–pinned）三类边界与加载条件下开展常轴压+匀速升温（5 ℃/min）的参数分析。系统考察长细比（slenderness ratio）、稳定荷载比（stability load ratio）、截面规格、初弯曲幅值（initial imperfection amplitude）对临界温度（critical temperature）的影响。结果表明：临界温度随稳定荷载比增大显著下降；偏心-铰边界因二阶效应路径不同反而呈现较高临界温度；初弯曲降低抗火性能。基于有限元数据拟合得到三类边界的临界温度设计曲线 Tcr=f(R)，较GB 51249-2017与EN 1993-1-2更贴合角钢构件实际，其中现行规范对铰-铰角钢偏不安全、对固-固及偏心-铰偏保守。

研究背景与立项依据

输电塔是高压送电系统的关键节点，等肢角钢因其高效与易加工被广泛用作主材与支撑。随着线路进入山林，野火均匀高温使Q420钢弹性模量与屈服强度退化，开口薄壁角钢对弯扭耦合（flexural–torsional-coupled buckling）与边界条件高度敏感，而既有建筑钢结构防火研究多聚焦H型、箱型与钢管，角钢高温稳定性数据库匮乏；DL/T 5154-2012与GB 51249-2017均未给出输电塔角钢临界温度评定方法。为此，研究人员以Q420等肢角钢受压构件为对象，建立高温稳定性数值框架并给出设计曲线。

论文发表于《Applied Sciences》，意义在于填补输电塔专用角钢高温整体稳定评定空白，并为野火工况下塔架抗火设计提供比中欧规范更准的临界温度公式。

主要关键技术方法

研究人员采用Abaqus 2023建立SR4壳单元模型，流程分三步：特征值屈曲提取一阶模态并按L/1000幅值植入初弯曲；常温静力施加恒定轴压至目标稳定荷载比R=N/(φ·A·f)；维持轴压以5 ℃/min匀速均匀升温至失稳，取轴向位移峰值对应温度为临界温度T_cr。材料本构按GB 51249-2017取温度依赖弹性模量与屈服强度，Ramberg–Osgood工程应力应变转真应力塑性应变输入；边界分铰-铰、固-固、偏心-铰三类，偏心荷载作用于角钢肢中点；参数矩阵含5种截面（L80×7～L160×14）、长细比、R、初弯曲L/2000～L/500，共1170+160组；以I型钢试验与网格敏感性（4/8/12/16 mm）验证模型。样本为典型输电塔Q420角钢参数族，非实体火灾试验队列。

研究结果（按原文小标题浓缩）

2.有限元模型与参数设计：壳单元可高效模拟开口薄壁弯扭变形；均匀8 mm网格收敛；温度依赖本构与三类边界参考点约束方式明确；R按GB 50017-2017整体稳定系数φ计算，偏心-铰改用弱轴欧拉临界力修正。

3.有限元结果与讨论

3.1模型验证：借I型钢H180×70×10×10与H270×200×10×10试验校核，T_cr计算值760.5 ℃与759.0 ℃接近试验721.3 ℃与750.4 ℃；8 mm网格误差可忽略。

3.2火灾屈曲模态：铰-铰以弱轴弯曲为主伴轻微扭转；固-固端约束强、变形平顺；偏心-铰初始即不对称弯曲，二阶矩路径异于前两者。

3.3位移-温度响应：固定端轴向位移峰值更大（同R下应力水平高）；达T_cr时横向位移突增，偏心-铰因二阶效应最陡。

3.4稳定荷载比、长细比与截面影响：R↑→T_cr↓；长细比λ↑→T_cr↑（同R下轴力低、应力小）；截面尺寸影响微弱，仅小λ铰-铰时小块材略降T_cr。

3.5初弯曲影响：幅值越大T_cr越低；L/500偏离L/1000显著，L/1500与L/2000接近；高R下初弯曲敏感度更强。

3.6边界条件影响：铰-铰与固-固T_cr相近，仅小截面小λ时铰-铰略低；偏心-铰T_cr明显更高且高R差幅扩大（同R下初始应力水平高）。非均匀升温（沿长线性梯度）使T_cr抬升，梯度越大抬升越多。

4.临界温度设计方法

4.1设计公式：T_cr=a·exp(b·R)+c拟合三类边界参数；与GB 51249-2017、EN 1993-1-2对比，本文曲线对铰-铰更安全、对固-固/偏心-铰更少浪费；FE比值均值1.025、标准差0.045。

4.2设计步骤：定截面与边界→算R（铰/固用式(1)，偏心用式(2)）→代参得T_cr→若实际火温低于T_cr则满足稳定。

讨论与结论翻译浓缩

讨论指出本文限于均匀高温（塔底主材、水平斜材常见工况），非均匀升温留待后续；现行建筑防火规范直接套用角钢会误判。

结论：(1)R增大则T_cr降，λ增大则T_cr升，截面影响可略；(2)铰-铰与固-固T_cr近，偏心-铰显著更高；(3)初弯曲越大T_cr越低，高R下更敏感；(4)基于临界温度法拟合的设计曲线较GB 51249-2017与EN 1993-1-2更准确评定Q420等肢角钢均匀高温整体稳定。