均匀升温下输电铁塔等边角钢构件稳定性研究

《Applied Sciences》：Study on Stability of Equal-Leg Angle-Steel Members in Transmission Towers at Uniform Elevated Temperature

　　

摘要：等边角钢构件广泛用作输电铁塔的主要承重构件和支撑构件。在山区火灾和林火等高温环境下，钢材的弹性模量和强度显著退化，这可能降低受压构件的整体稳定承载能力，甚至导致失稳破坏。为研究Q420钢等边角钢构件在均匀升温条件下的稳定性能，研究人员在Abaqus中建立考虑钢材温度相关材料特性的壳单元有限元模型。在恒定压缩荷载和均匀加热条件下，对销接-销接、固接-固接和偏心-销接三种工况进行了参数化分析。系统分析了长细比、稳定荷载比、截面尺寸和初始缺陷幅值对临界温度的影响。结果表明，临界温度随稳定荷载比的增大而显著降低。偏心-销接工况的临界温度高于其他两种工况。初始几何缺陷会降低构件的抗火性能。基于临界温度法，研究人员利用有限元结果建立了三种边界条件下的临界温度设计曲线，并证明该曲线比现有中国规范和欧洲规范更为精确。

输电铁塔等边角钢构件均匀升温稳定性研究解读

一、研究背景与问题提出

输电铁塔是高压电力传输系统的关键基础设施。等边角钢构件因其高效性和易于加工制造的特点，被广泛用作输电铁塔的主要承重构件和支撑构件。随着输电网络向山区和林区扩展，这些结构日益暴露于野火引发的高温环境中。高温环境导致钢材弹性模量和屈服强度显著退化，从而降低受压构件的承载能力。

已有研究主要关注建筑钢结构领域，对普通碳钢、高强度钢和耐火钢在加热及火后冷却过程中的力学退化行为进行了广泛研究。研究表明，弹性模量和屈服强度随温度升高的退化是控制钢构件高温承载能力和稳定性的关键因素。然而，针对输电铁塔常用角钢材料在火灾加热路径下的专门研究仍然有限。此外，现有关于角钢构件稳定性的研究主要集中于常温条件下的承载性能、加固承载能力等问题，尚未系统扩展到高温条件下的临界温度计算。对于输电铁塔结构，角钢构件通常通过端板、螺栓和节点板连接到整体结构系统，其实际传力边界与建筑中常用的工字形截面钢柱存在显著差异。因此，有必要建立基于输电铁塔构件结构特征的高温稳定性分析框架。

目前存在的主要局限性包括：第一，现有高温下钢结构研究主要集中于建筑用H形截面、箱形截面和钢管构件，输电铁塔等边角钢轴压构件的高温试验数据和稳定性数据库仍不充分；第二，现行《建筑钢结构防火技术规范》GB 51249-2017主要提供常见建筑钢构件的临界温度计算表格或设计建议，但缺乏针对截面形式特殊、边界条件复杂的输电铁塔角钢构件的直接适用设计参数。

二、研究内容与结论概述

本研究以输电铁塔中广泛使用的Q420等边角钢构件为研究对象，在Abaqus中建立了考虑温度相关材料特性的壳单元有限元模型，分析了均匀加热条件下构件的结构响应。通过提取轴向位移、横向位移和失稳特征来确定临界温度。研究考虑了五种典型截面以及输电铁塔中经常出现的三种边界/加载条件，在规定的长细比、稳定荷载比和初始缺陷幅值范围内进行了参数分析。

研究得出以下主要结论：随稳定荷载比增大，构件应力水平升高，导致临界温度降低；较高长细比对应较高的临界温度，因为固定稳定荷载比下较高长细比意味着较低的稳定荷载和应力水平；截面尺寸对临界温度的影响不显著；销接-销接与固接-固接构件的临界温度接近，而偏心-销接构件的临界温度明显更高；初始几何缺陷越大，临界温度越低，且稳定荷载比越高的构件受初始缺陷影响越显著。基于临界温度法，利用有限元结果建立了三种边界条件下的临界温度设计曲线，与现有规范相比具有更高精度。该研究成果发表在《Applied Sciences》。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：（1）在Abaqus软件中采用SR4壳单元建立等边角钢构件有限元模型，将构件两端截面与端板绑定，端板再与位于形心轴上的参考点连接，通过两个参考点施加边界条件和轴向荷载；（2）采用温度相关材料模型，依据GB 51249-2017计算Q420钢的温度相关力学和热学性能，采用Ramberg-Osgood模型描述各温度下的工程应力-应变关系并转换为真实应力和真实塑性应变；（3）有限元分析包括三个连续阶段：特征值屈曲分析获取一阶整体屈曲模态并按设定幅值引入作为初始几何缺陷、常温静力分析施加恒定压缩荷载至目标稳定荷载比、温度-变形分析中以5 °C/min的升温速率施加随时间变化的均匀温度场；（4）通过网格敏感性分析验证8 mm均匀网格尺寸的收敛性，利用文献[17]中两根工字形截面构件的试验结果验证有限元模型的准确性；（5）采用MATLAB对有限元数据进行曲线拟合获取临界温度设计公式参数。

四、研究结果

4.1 火灾诱发屈曲模式

在临界温度下，销接-销接构件主要呈现整体弯曲屈曲，跨中伴随较大横向位移和轻微截面扭转。固接-固接构件整体变形曲线较平缓，较强的端部约束提供了更大的稳定抗力。偏心-销接构件从初始加热阶段就产生不对称弯曲，附加弯矩和二阶效应产生了不同于其他两种工况的失稳路径。

4.2 位移-温度响应

轴向位移-温度曲线显示，端部轴向位移先平缓增大，随后在临界温度处达到峰值点，此时温度相关稳定抗力突然退化。固接-固接构件的变形大于销接-销接和偏心-销接构件，原因在于相同稳定荷载比下强约束导致更高的应力水平。横向位移-温度响应表明，屈曲模式包含绕弱轴弯曲并伴有扭转。偏心-销接构件的横向位移在达到临界温度后增长最为急剧，因其二阶效应最大。

4.3 稳定荷载比、长细比和截面尺寸的影响

采用标准初始缺陷e = L/1000，计算了三种边界条件下角钢构件的临界温度。稳定荷载比对临界温度影响显著——稳定荷载比增大导致应力水平升高，临界温度降低。较高长细比导致较高临界温度，因固定稳定荷载比下较高长细比意味着较低稳定荷载和应力水平。截面尺寸对临界温度的整体影响不显著，仅在长细比较小且构件为销接-销接时体现一定影响——较小截面尺寸对应较低临界温度。

4.4 初始几何缺陷的影响

初始缺陷越大，临界温度越低。初始缺陷使柱顶轴压力因横向变形引发的二阶效应在截面中产生弯矩，增加构件应力水平。当初始缺陷较大时（如L/500），其对临界温度的影响显著；而当初始缺陷为L/1500和L/2000时，与标准初始缺陷L/1000相比临界温度差异较小。稳定荷载比越高的构件，受初始缺陷影响越显著，因为相同初始缺陷下更大的轴向力产生更大的附加应力。

4.5 边界条件的影响

销接-销接与固接-固接构件的临界温度接近，仅在小截面尺寸和小长细比情况下销接-销接条件导致较低临界温度。固接-固接条件为构件在高温下的较大变形提供更强约束，从而增加抗火性能。偏心-销接构件的临界温度明显高于其他两种工况，且稳定荷载比越大差异越显著，这是因为偏心-销接构件的二阶效应导致相同稳定荷载比下初始应力水平更高。

五、讨论与结论总结

研究还考察了非均匀加热条件，对长细比λ = 100、稳定荷载比R = 0.5的销接-销接构件施加沿构件长度线性分布的温度场。结果表明，非均匀加热显著提高了角钢构件的临界温度，且温度梯度越大影响越显著。

讨论部分指出，现有中国规范GB 51249-2017和欧洲规范EN 1993-1-2对于销接-销接构件可能产生不安全结果（高估抗火性能），对于固接-固接和偏心-销接构件（尤其是后者）可能产生保守结果（牺牲设计经济性）。本研究提出的设计曲线预测临界温度的数值数据与曲线比值的均值为1.025，标准差为0.045，表明设计曲线能较好地预测输电铁塔中常见受压角钢构件的临界温度。

研究结论部分可归纳为：以输电铁塔广泛使用的Q420等边角钢构件为研究对象，考虑钢材温度相关材料特性进行了有限元分析，系统研究了稳定荷载比、长细比、截面尺寸、初始几何缺陷和边界条件对抗火性能的影响，基于有限元结果提出了适用于角钢构件的临界温度设计方法。提出的设计曲线比现有规范更准确地预测了均匀升温下角钢构件的整体稳定性能。需要指出，该设计方法仅限于均匀升温条件，适用于受火输电铁塔底部主导构件或水平支撑构件。未来将研究非均匀加热条件下角钢构件的屈曲行为。