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摘要：本文针对输电铁塔设计中角钢构件稳定性计算方面的问题进行了简要分析与研讨，以供参考。
关键词：输电铁塔设计；角钢构件；稳定性；计算
随着经济发展，原有输电铁塔的系统已不能适应生产发展的需求。而高强钢结构（钢材屈服强度fy≥420MPa）引起良好的受力性能，逐渐成为国内外重点关注对象。高强度结构刚才的生产工艺、加工工艺、焊接工艺等都日趋成熟，将高强钢结构应用于输电铁塔中也越来越常见。输电铁塔中常使用等边单角钢、等边双角钢的T形截面和十字形截面构件进行设计。图1即展示了输电铁塔中常用的三个构件的截面。
1角钢构件失稳及主要影响因素
钢结构是否稳定通常对钢结构安全起着举足轻重的作用。钢结构的失稳现象是多种多样的，针对性质而言可简单分为平衡分叉失稳、极值点失稳与越阶失稳。平衡分叉失稳主要是理想轴向受压构件的失稳、理想构建承受弯矩作用失稳、理想平板中面内压作用下失稳以及圆柱壳承受压力失稳等。极值点失稳是压杆的扰度随着荷载的增加而增加，进而压杆处于稳定的平衡状态，当压杆重点截面边缘开始出现屈服，作用在杆件上的偏心轴向荷载继续增大时，塑性逐渐向截面内部扩张，压杆弯曲变形迅速，维持压杆平衡的条件必须使压杆顶部压力减小，进而造成压杆处于不稳定平衡状态。越阶失稳，对于两端铰接的拱结构，在垂直轴线方向施加均匀的荷载，结构将产生扰度，并且扰度随着荷载的增大而增加，当荷载达到某一值时，结构将突然发生剧烈变化，使结构从上拱状态变为下拱状态，在该状态中结构并不稳定；随着荷载的进一步增大，扰度随之继续增大，结构丧失初始状态，遭到破坏，结构也并不能被利用。
通常情况下，钢结构构件的截面尺寸是由稳定控制的，钢结构的失稳主要发生在其轴心压弯构件、受弯构件以及受压构件。在钢结构设计计算中保证其构件满足稳定性至关重要。
钢结构失稳可以分为两种形式，一种是整体稳定性丧失形式，另一种是局部稳定性丧失形式，这两种情况对结构或构件的正常承载和使用都会产生影响，甚至严重者会引发结构的其他形式破坏。
1.1导致结构整体失稳的因素
1）设计时整体稳定性不满足。影响整体结构稳定性中最重要的一点就是构件自身的长细比（即构件的长度与其截面回转半径的比值）。所以我们应该着重关注构件截面的两个正轴方向上的长度可能会有些许不同，构件实际承重情况必定与计算理想承重情况之间有所差距，不能简单地将我们所知的承重条件过于理想化，应当多结合实际。
2）构件初始缺陷。构件在现在情况下必定存在一些难于预测或者难以消除的缺陷，这些缺陷在计算设计时也需要被考虑情况。例如轴压构件的偶然偏心误差、热轧和冷加工产生的残余应力、焊接残余应力变形等等，在稳定分析计算中，这些缺陷是非常致命的，会影响构件的极限承载力。
3）受力条件改变。当使用条件改变或者使用荷载改变时，会造成关键构件应力变大，例如节点破坏、意外冲击荷载、超载等等，或是加固过程中简图的变更。除此之外，受力体系频繁变更也会导致构件整体失稳，常见的如受拉构件转变成受压构件。
4）临时支撑施工体系不够。在结构正在安装的过程中，由于整体结构并没有完全成型，所以某些地方不能形成设计时的受力要求，因此可能会需要搭建一些临时支撑体系来保证维持整体结构的稳定。然而当临时的支撑结构体系不好时，则会造成部分构件丧失整体稳定，更严重者甚至会造成整个体系的坍塌和倾覆。其中我们常见的单层工业住房在这个问题上尤为突出。当前为了解决单层工业厂房结构不稳定的问题，使用的主要方法就是设置支撑。使用该方法后，整个厂房的结构就形成了一个整体就像一张大的网架，从而大大提高了结构抗侧向作用的能力。
1.2导致结构局部失稳的因素
1）设计时局部稳定性不满足。在角钢结构设计过程中，尤其是截面组合构件，当构件的局部稳定性不满足规范要求时，就很容易造成局部失稳得情况，常见的有工字钢截面腹板的高厚比超限。
2）局部受力部位的加劲构造措施不合理。如支座处或者较大集中荷载作用点处，如果不设置支承加劲肋，外力直接传给较薄的腹板，则较易引起这些腹板局部失稳。
3）选择吊点的位置不当。在使用吊装的过程中，如果设计者没有提前结合实际场地去分析吊点的位置，常常会发生吊点选择不当，进而影响到构件局部压应力，使构件局部压应力变大，导致局部失稳。因此在设计角钢结构和绘制设计图纸的时候，应该详细书名构件正确的吊点位置，给出合适合理的起吊方法。而对于存在这里问题的隐患构件的通用处理方法，一般是遵循减少构件的长细比原则。使用该原则有两个方法，第一是减少构件的长度，第二是增加构件的横截面积。除此之外，还可以通过对钢柱外包混凝土，或者使用钢筋混凝土的方式来提高柱面截面惯性矩，同理对于封闭的空心钢柱也可以采用内部填充的方式处理。上述的几种方法都可以起到增强构件刚度，提高局部稳定性的作用。
2稳定问题的常用计算方法
对于构件的稳定性进行分析一般建立在结构在外荷载可能会发生变形的基础上进行的，此外构件的变形是和构件（或结构）发生失稳时候的变形形式相互对应的。实际工程中，稳定计算涉及到了结构或者构建的初始条件，包括截面性质、初始盈利、构建尺寸、初始缺陷等。一般稳定问题主要有平衡法、能量法以及动力法这三类计算方法。
2.1平衡法
平衡法是中性平衡法的简称，也称为静力平衡法，作为对于结构极限稳定承载力的最基础的分析方法。平衡法适用于在结构已经出现微小玩去变形的情况下进行力的平衡方程来进行计算。在求解过程中可能会出现多个结果，则最小值为所求结构的分岔屈曲载荷。但平衡法只限定于对结构的屈曲载荷的求解，对于平衡状态下的结构稳定性却不能进行分析。平衡法的计算能够求得屈曲载荷的精确解。
2.2能量法
能量法是建立在结构发生变形的基础上进行结构承受保守力作用的计算。此时通过计算得到的结果应该是结构在此状态下所受到的应变能和外力势能。结构的总势能需要综合应变能和外力势能的和才是最终的结果。若结构在平衡状态时，总势能存在驻值。因而能量法的计算只能求得屈曲载荷的近似解。但当已明确结构屈曲变形后的结构形式时，就可以通过计算求得此变形形式的较为精确的解。若采用能量法计算分析结构的大挠度理论时，应该先判断结构在屈曲之后的状态，应当明确结构状态是否处于稳定状态。
2.3动力法
动力法的主要计算是对于平衡状态下的结构体系因一微小扰动作用力的作用而产生振动，此时的结构变形和作用是与荷载大小相关，而振动加速度也与荷载大小有关。动力法主要依据在结构振动频率为零的状态下进行求解。通过改变作用在结构上的载荷，计算结构的振动加速度，观察其变形方向，再移去干扰观察运动，从而求得在临界状态下的载荷。临界状态下的载荷也就是结构的屈曲载荷。
3角钢受压构件的稳定计算
3.1等边双角钢十字形截面
对于双轴对称的十字形截面轴压构件，新钢规中规定λx或者λy取值不得小于5.07b/t（其中b/t为悬伸板件宽厚比）。通常b/t=10～15，故λx或者λy≤5.07x（10～15）=50～75时，表示扭转失稳将起控制作用，如果λx或者λy比较大如在75以上时，这种情况就不会发生。然而在输电铁塔设计中当主材采用双角钢十字截面构件时，长细比λ一般均小于75，仅为40～50，故其影响较大。
我们将2L100x8作为例子，b/t=100/8=12.5，iy=3.88，λyz=5.07×12.5=63.4。若我们假设输电铁塔的主材节间为lay=200cm，那么λy=200/3.88=5.11。当λy=5.11变为λyz=63.4，就增加了23%，造成了较大的影响。
而当我们采用2L200x14时，情况就会更为严重，b/t=200/14=14.29，iy=7.82，λyz=5.07x14.29=72.4。若我们假设输电铁塔的主材节间为lay=300cm，那么λy=300/7.82=38.4。如此就增加了89%，产生的影响更为重大，对于选材的要求就更为高。
由以上计算可知，按照新钢规的计算方法，当选用双角钢十字形截面构件作为主材时，扭转失稳会发挥控制作用，这样主材就应当增加一到二档。档选用等边单角钢构件时，绕平行轴变扭失稳就会发挥控制作用，主材同样应当增加一到二档。档选用双角钢T形界面构件作为斜材、横担主材或者横担上的腹杆时，由于使用在斜材上，长细比较大，通常情况下不会受到影响。当若使用到横担主材及横担上的腹杆时，就应当提高重视，加以注意。
3.2等边单角钢
在新钢规中规定，将等边单角钢截面绕对称周弯扭屈曲的换算长细比λyz就能使用以下计算方法：
通过计算，我们可以知道，当双角钢T形截面的λy处于50范围以内时，对于稳定的影响较为明显。而斜材上极少出现这类情况。当λy处于100以上范围时，虽处于横杆或者横担主材或者横担上的腹杆等等情况，但应对其稳定性引起一定的重视。
结语
当输电铁塔用等边单角钢、等边双角钢的T形截面和十字形截面构件进行设计时，需要根据各自的实际情况进行对角钢构件扭转失稳和弯扭失稳情况的重视。虽然现行行业规范及美国ASCE都没有明确规定对角钢构件扭转失稳和弯扭失稳，但在电力行业中都应当重视输电铁塔设计中角钢构件稳定性，以防出现危险状况，影响电力输送和居民人身安全。
参考文献：
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作者简介：
刘西民：1979，男，安徽淮南，汉族，大学本科；
沈六六：1987，男，安徽合肥，汉族，硕士研究生；王梦博，1988，女，安徽亳州，硕士研究生。
论文作者:刘西民,沈六六,王梦博
论文发表刊物:《电力设备》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/30
标签：构件论文; 角钢论文; 结构论文; 截面论文; 铁塔论文; 荷载论文; 稳定性论文; 《电力设备》2017年第25期论文;