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摘要：通过对角钢塔两端偏心受压构件的承载力性能有限元分析，发现构件长细比较小时，以扭转变形为主，随着长细比的增大，绕平行轴弯曲变形的比重逐渐增加，进而建议根据长细比λ值大小来选择计算方法的，这是对目前关于两端偏心受压构件计算方式过于单一的有益探索，在工程实际中具有实际运用价值。
关键词：有限元；两端偏心；长细比；受压构件
角钢塔是一种有降液管的板式塔。其鼓泡区是由相互并列的角钢组成，角钢的排列方向与液流方向平行。角钢的尖角边在下部，截面呈“V”字形，相邻两个角钢之间有一定的栅缝，降液管与一般塔板相同。上一板的液体通过降液管流入“V”字形角钢，而气体则通过栅缝上升时与液体发生鼓泡，进行传质过程，塔板上的气液流动状态与筛板相仿。角钢塔板压降较小，气相通量较大，塔板效率较好，结构简单，加工制造方便，刚度较好。
一、模型设计
1.角钢模型
输电杆塔结构中的K字型塔身斜材、塔腿斜材、横膈面构件以及横担主材等部位均为单面连接角钢构件，该类构件长细比范围一般为70～120。对于两端部均偏心连接的角钢构件，在简化时考虑到端部连接构件对其绕Z轴的扭转具有约束作用，在单面连接角钢连接肢肢尖处加Y方向的链杆支撑，但并不限制绕X轴和Y轴的转动，简化模型如图1所示。
图1 两端偏心受压角钢计算模型
2.有限元模型
有限元分析时采用了壳单元。在ANSYS软件的单元库中，SHELL181单元是一种具有塑性变形能力的4节点空间壳单元，单元每个节点有6个自由度，分别是沿x、y、z方向平动自由度及绕x、y、z轴的旋转自由度，该单元适合于模拟薄壳到中等厚度的壳，单元的几何形状、节点位置及坐标如图2所示。
图2 壳单元坐标及几何形状
3.残余应力
本文研究的构件为热轧型钢，角钢构件的残余应力模式分布如图4所示。图中符号规定：正号为拉应力，负号为压应力，通过试验发现在个别试件中残余应力达到了构件屈服强度的25%，因此本文取 值为0.3。
图3 角钢截面的残余应力分布
二、计算分析
本文对规格为L125x8，屈服强度为Q345和Q235的两端偏心受压构件的稳定承载力进行了分析计算，
对于两端偏心受压构件，根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）规定，应对该类构件长细比进行修正，长细比修正系数为 。经过长细比修正后的构件按轴心受力构件计算其极限承载力。
经修订的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单面连接的单角钢做了具体规定，当该类截面按照轴心受压构件计算时，应乘以不大于1.0的强度折减系数 ，经过折减后可不考虑扭转对承载力的影响。为便于与下面提到的压弯构件计算方法区别，此方法在本文中称为钢结构规范方法一，计算公式如下所示。
（1）
由于两端偏心受压角钢构件受力状态与压弯构件相同，本文按照压弯构件计算了两端偏心受压角钢构件的承载力。计算采用了钢结构设计规范规定的实腹式压弯构件弯矩作用平面内稳定性计算方法，本文中称为钢结构规范方法二，计算公式如下所示：
（2）
本文在分析中采用构件长度的1/1000来考虑初始弯曲和初始偏心对受压构件的影响。
表3列出了L125x8偏心受压角钢按杆塔技术规定、钢结构规范、压弯理论及ANSYS计算极限承载力。
可以看出，两规范计算结果差别较大，对于屈服强度为Q235的角钢偏压构件，按杆塔技术规定计算所得承载力要高于钢结构规范计算结果；对于屈服强度为Q345的角钢偏压构件，在长细比小于70的范围内，两规范计算结果较为接近，在长细比大于70的范围内，杆塔技术规定计算结果仍高于钢结构规范。
ANSYS计算结果与杆塔技术规定及钢结构规范计算结果差别较大。对于Q235钢材，当λ ≤ 70时，对于Q345钢材，当λ ≤ 50时，有限元计算承载力最低，杆塔技术规定计算结果最高，钢结构规范计算结果介于二者之间，按压弯构件理论计算结果与采用ANSYS计算结果最为接近。
由于两端偏心受压角钢构件的承载力与其屈曲模态有关，因此，受压角钢构件发生弯扭屈曲与弯曲屈曲长细比分界线分为两类，由于杆塔结构中两端偏心受压角钢构件的长细比一般在70～120之间，对于长细比小于70的偏心受压构件建议按钢结构规范方法二计算其承载力；当长细比大于70而小于轴心受压构件弯扭屈曲的长细比分界线时，建议采用钢结构规范方法一；当长细比大于轴心受压构件弯扭屈曲的长细比分界线时，钢结构规范方法一较为保守，仍可按照杆塔技术规定对该类情况的构件进行设计。
4 结论及建议
本文对两端偏心受压角钢构件的承载力性能进行了分析计算，与轴心受压角钢构件相比，偏心受压构件均因弯扭屈曲而破坏，长细比较小时，以扭转变形为主，随着长细比的增大，绕平行轴弯曲变形的比重逐渐增加。通过对L125x8角钢构件承载力的分析计算发现，在长细比较小的范围内，计算结果与有限元分析结果较为吻合，建议当λ<70时采用该方法计算两端偏心受压角钢构件的承载力。由于承载力与其屈曲形式有密切的关系，文中根据轴心受压构件发生弯扭屈曲的长细比分界线将长细比分为两个部分，当λ≥70且小于该长细比分界线时，建议采用钢结构规范方法一计算其承载力。当λ大于该长细比分界线时，仍可按照杆塔技术规定对该类构件进行设计。
参考文献：
[1] DL/T5154-2012，《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[S].
[2] GB50017-2003，《钢结构设计规范》[S].
[3] 欧阳斌，张华.残余应力对轴心受压杆件的影响探讨[J].《南昌工程学院学报》，2004年第3期，
关键词：有限元；两端偏心；长细比；受压构件
角钢塔是一种有降液管的板式塔。其鼓泡区是由相互并列的角钢组成，角钢的排列方向与液流方向平行。角钢的尖角边在下部，截面呈“V”字形，相邻两个角钢之间有一定的栅缝，降液管与一般塔板相同。上一板的液体通过降液管流入“V”字形角钢，而气体则通过栅缝上升时与液体发生鼓泡，进行传质过程，塔板上的气液流动状态与筛板相仿。角钢塔板压降较小，气相通量较大，塔板效率较好，结构简单，加工制造方便，刚度较好。
一、模型设计
1.角钢模型
输电杆塔结构中的K字型塔身斜材、塔腿斜材、横膈面构件以及横担主材等部位均为单面连接角钢构件，该类构件长细比范围一般为70～120。对于两端部均偏心连接的角钢构件，在简化时考虑到端部连接构件对其绕Z轴的扭转具有约束作用，在单面连接角钢连接肢肢尖处加Y方向的链杆支撑，但并不限制绕X轴和Y轴的转动，简化模型如图1所示。
图1 两端偏心受压角钢计算模型
2.有限元模型
有限元分析时采用了壳单元。在ANSYS软件的单元库中，SHELL181单元是一种具有塑性变形能力的4节点空间壳单元，单元每个节点有6个自由度，分别是沿x、y、z方向平动自由度及绕x、y、z轴的旋转自由度，该单元适合于模拟薄壳到中等厚度的壳，单元的几何形状、节点位置及坐标如图2所示。
图2 壳单元坐标及几何形状
3.残余应力
本文研究的构件为热轧型钢，角钢构件的残余应力模式分布如图4所示。图中符号规定：正号为拉应力，负号为压应力，通过试验发现在个别试件中残余应力达到了构件屈服强度的25%，因此本文取 值为0.3。
图3 角钢截面的残余应力分布
二、计算分析
本文对规格为L125x8，屈服强度为Q345和Q235的两端偏心受压构件的稳定承载力进行了分析计算，
对于两端偏心受压构件，根据《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154-2012）规定，应对该类构件长细比进行修正，长细比修正系数为 。经过长细比修正后的构件按轴心受力构件计算其极限承载力。
经修订的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单面连接的单角钢做了具体规定，当该类截面按照轴心受压构件计算时，应乘以不大于1.0的强度折减系数 ，经过折减后可不考虑扭转对承载力的影响。为便于与下面提到的压弯构件计算方法区别，此方法在本文中称为钢结构规范方法一，计算公式如下所示。
（1）
由于两端偏心受压角钢构件受力状态与压弯构件相同，本文按照压弯构件计算了两端偏心受压角钢构件的承载力。计算采用了钢结构设计规范规定的实腹式压弯构件弯矩作用平面内稳定性计算方法，本文中称为钢结构规范方法二，计算公式如下所示：
（2）
本文在分析中采用构件长度的1/1000来考虑初始弯曲和初始偏心对受压构件的影响。
表3列出了L125x8偏心受压角钢按杆塔技术规定、钢结构规范、压弯理论及ANSYS计算极限承载力。
可以看出，两规范计算结果差别较大，对于屈服强度为Q235的角钢偏压构件，按杆塔技术规定计算所得承载力要高于钢结构规范计算结果；对于屈服强度为Q345的角钢偏压构件，在长细比小于70的范围内，两规范计算结果较为接近，在长细比大于70的范围内，杆塔技术规定计算结果仍高于钢结构规范。
ANSYS计算结果与杆塔技术规定及钢结构规范计算结果差别较大。对于Q235钢材，当λ ≤ 70时，对于Q345钢材，当λ ≤ 50时，有限元计算承载力最低，杆塔技术规定计算结果最高，钢结构规范计算结果介于二者之间，按压弯构件理论计算结果与采用ANSYS计算结果最为接近。
由于两端偏心受压角钢构件的承载力与其屈曲模态有关，因此，受压角钢构件发生弯扭屈曲与弯曲屈曲长细比分界线分为两类，由于杆塔结构中两端偏心受压角钢构件的长细比一般在70～120之间，对于长细比小于70的偏心受压构件建议按钢结构规范方法二计算其承载力；当长细比大于70而小于轴心受压构件弯扭屈曲的长细比分界线时，建议采用钢结构规范方法一；当长细比大于轴心受压构件弯扭屈曲的长细比分界线时，钢结构规范方法一较为保守，仍可按照杆塔技术规定对该类情况的构件进行设计。
4 结论及建议
本文对两端偏心受压角钢构件的承载力性能进行了分析计算，与轴心受压角钢构件相比，偏心受压构件均因弯扭屈曲而破坏，长细比较小时，以扭转变形为主，随着长细比的增大，绕平行轴弯曲变形的比重逐渐增加。通过对L125x8角钢构件承载力的分析计算发现，在长细比较小的范围内，计算结果与有限元分析结果较为吻合，建议当λ<70时采用该方法计算两端偏心受压角钢构件的承载力。由于承载力与其屈曲形式有密切的关系，文中根据轴心受压构件发生弯扭屈曲的长细比分界线将长细比分为两个部分，当λ≥70且小于该长细比分界线时，建议采用钢结构规范方法一计算其承载力。当λ大于该长细比分界线时，仍可按照杆塔技术规定对该类构件进行设计。
参考文献：
[1] DL/T5154-2012，《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》[S].
[2] GB50017-2003，《钢结构设计规范》[S].
[3] 欧阳斌，张华.残余应力对轴心受压杆件的影响探讨[J].《南昌工程学院学报》，2004年第3期，