CN117408068A - 一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于角钢无损加固力学计算方法技术领域，提出一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，包括以下步骤，S001，获得待加固角钢和FRP加固材料参数，确定待加固角钢的复合截面比例系数，S002，计算FRP加固材料加固角钢后形成的FRP‑角钢构件的复合截面面积，并换算为等效复合截面面积，并计算角钢的截面惯性矩Is和FRP材料的截面惯性矩，S003，计算FRP材料加固角钢后形成的FRP‑角钢构件的复合截面惯性矩和FRP‑角钢等效截面惯性矩：S004，计算加固后角钢的等效长细比：S005，推导出FRP加固角钢构件的承载力计算方法。本技术方案利用复合材料FRP对角钢进行无损加固可以避免改变角钢截面形式，解决整个输电塔受力性能等技术问题，能够在加固前对加固后角钢的承载力进行计算。
Description
技术领域
本发明属于输电塔技术领域，具体涉及一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法。
背景技术
覆冰、风荷载、边坡变形等因素，会对输电塔的安全性能造成威胁，因此，对输电塔进行加固并计算加固的承载力非常重要。
目前输电塔角钢的主流加固方法是以构件并联法为主，构件并联法均是通过焊接、螺栓打孔连接、夹具固定等方法加固，此类加固方法会改变角钢截面形式，原结构自重增加明显，从而改变整个输电塔受力性能。
在承载力计算方法，国内外未出现FRP加固角钢承载力计算规范，由于FRP材料具有特有的力学特性和加固方式，以及角钢的截面形式与管道、桩基、混凝土受弯构件明显不同，导致已有承载力计算方法并不适用于FRP加固角钢的情形，无法在加固前计算出角钢加固后的承载力。
基于此，研究并涉及一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法。
发明内容
本发明提供一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，利用FRP耐久性好、强度高和密度小等特点，对角钢进行便捷、高效加固，获得较高的整体强度和刚度，避免对原结构产生损伤和增加过多自重，考虑角钢长细比、FRP材料参数、FRP粘贴层数，达到计算FRP加固角钢后承载力的目的，能够便捷且有效地评估加固效果，为输电塔工程加固提供参考，从而解决现有技术存在的主流加固方法改变角钢截面形式，原结构自重增加明显，改变整个输电塔受力性能等技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
S001，获得待加固角钢和FRP加固材料参数，根据获得的FRP加固材料的纵向弹性模量Ef和待加固角钢的钢材弹性模量Es，确定待加固角钢的复合截面比例系数Qe：
S002，计算FRP加固材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面面积，并将复合截面面积换算为等效复合截面面积Aeq为：
其中，Aeq为FRP布-角钢的等效复合截面面积，AS为角钢的钢材截面面积；Af为FRP布材料的截面面积；
S002，通过下述(4)-(6)式计算角钢的截面惯性矩Is，以及按照相同计算方法获得FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
Is＝Izs+Iys, (6)
其中，Izs表示角钢的Z轴截面惯性矩，Iys表示角钢的Y轴截面惯性矩，Is表示角钢的截面惯性矩，AS为角钢的钢材截面面积；
S003，计算FRP材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面惯性矩，并根据角钢的复合截面比例系数Qe，计算出FRP-角钢等效截面惯性矩：
其中，Ieq为FRP布-角钢等效截面惯性矩，IS为角钢截面惯性矩；If为FRP材料的截面惯性矩；
S004，根据角钢的长度l0和角钢的复合截面比例系数Qe，计算加固后角钢的等效长细比λeq：
其中，λeq为FRP-角钢的等效长细比；l0为角钢的长度；ieq为FRP-角钢的等效回转半径；
S005，根据《钢结构设计标准》受压构件计算方法，推导FRP加固角钢构件的承载力计算公式为：
其中，FN为FRP布-角钢的承载力，为FRP-角钢的等效稳定系数，，fy为角钢的屈服强度，η为折减系数η＝0.6+0.0015λ，获得FRP加固角钢构件的计算方法。
可选地，还包括以下步骤，
S006，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，如下：
ξ＝a+b×t+c×k+d×t2+e×t×k+f×k2, (10)
对公式(10)中，假设FRP布层数为t，角钢的长细比为k，建立最终拟合的修正系数ξ公式为：
ξ＝1.023-5.61773e-4t-0.00169k-4.07913e-4t2+1.08127e-5tk+7.58929e-6k2(11)
将最终拟合的修正系数ξ引入至式(9)中，进行拟合修正后，最终形成基于非线性拟合的FRP加固角钢承载力的计算方法，即式(12)：
可选地，步骤S001中，获得待加固角钢和FRP加固材料参数中，获得待加固角钢的肢宽h、肢厚t、长度L、屈服强度fy和弹性模量Es，FRP加固材料的纵向弹性模量Ef。
可选地，步骤S001中，还包括通过获得待加固角钢的荷载-位移曲线，提取角钢的荷载-位移曲线的曲线极值为角钢的承载力。
可选地，步骤S001中，所述获得待加固角钢的荷载-位移曲线方法为：选择某一种规格的角钢进行输电塔角钢加固数值试验，试验过程中，保持同一角钢截面，改变角钢的长细比和FRP布的粘结厚度。
可选地，步骤S001中，还包括计算角钢的初始长细比λ，
其中，l0为角钢的长度，i为回转半径，μ为长度因素。
可选地，步骤S006中，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，非线性回归分析方法为在步骤S005中引入二次多项式非线性拟合的修正系数ξ。
可选地，步骤S002中，FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
If＝Izf+Iyf
其中，Af表示FRP材料的截面面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本技术方案采用FRP材料加固角钢能够很好的解决角钢加固过程中改变原角钢截面形式的问题，在能够提供加固效果的同时也并不会增加结构自重，减少了加固过程中的施工难度和施工安全的不确定性。
2)本技术方案提出的一种角钢无损加固后承载力计算方法中，引入一种用来确定截面换算系数的复合截面比例系数Qe、提出加固角钢后的等效复合截面面积Aeq、等效截面惯性矩Ieq、等效长细比λeq的计算方法，并结合《钢结构设计标准》受压构件计算方法得到了FRP加固角钢承载力的初步理论分析方法，并提出一种基于二次多项式的非线性回归分析方法计算得到的修正系数ξ对以上步骤中得到的FRP加固角钢整体承载力的计算方法进拟合修正，最终得到计算精度较高的FRP材料加固角钢的理论承载力分析计算方法，该方法的采用对加固后角钢承载力进行评估，大幅减少了数值试验、物理试验产生的巨大人力物力成本，提高了评估便捷性与普适性。
3)本技术方案与传统的构件并联法加固方法相比，利用复合材料FRP对角钢进行无损加固是一种更优的选择，可以避免改变角钢截面形式；此外，FRP材料还具有密度小的特点，使得加固工作更为便捷和高效。
附图说明
图1角钢截面惯性矩计算示意图；
图2为一种输电塔角钢无损加固后的承载力计算方法的流程图；
图3为FRP布-角钢构件轴压计算方法修正系数拟合曲面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清所楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1-3所示，一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，包括以下步骤，
S001，获得待加固角钢和FRP加固材料参数，根据获得的FRP加固材料的纵向弹性模量Ef和待加固角钢的钢材弹性模量Es，确定待加固角钢的复合截面比例系数Qe：
S002，计算FRP加固材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面面积，并将复合截面面积换算为等效复合截面面积Aeq为：
其中，Aeq为FRP布-角钢的等效复合截面面积，AS为角钢的钢材截面面积；Af为FRP布材料的截面面积；
S002，通过下述(4)-(6)式计算角钢的截面惯性矩Is，以及按照相同计算方法获得FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
Is＝Izs+Iys, (6)
其中，Izs表示角钢的Z轴截面惯性矩，Iys表示角钢的Y轴截面惯性矩，Is表示角钢的截面惯性矩，AS为角钢的钢材截面面积；
S003，计算FRP材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面惯性矩，并根据角钢的复合截面比例系数Qe，计算出FRP-角钢等效截面惯性矩：
其中，Ieq为FRP布-角钢等效截面惯性矩，IS为角钢截面惯性矩；If为FRP材料的截面惯性矩；
S004，根据角钢的长度l0和角钢的复合截面比例系数Qe，计算加固后角钢的等效长细比λeq：
其中，λeq为FRP-角钢的等效长细比；l0为角钢的长度；ieq为FRP-角钢的等效回转半径；
S005，根据《钢结构设计标准》受压构件计算方法，推导FRP加固角钢构件的承载力计算公式为：
其中，FN为FRP布-角钢的承载力，为FRP-角钢的等效稳定系数，，fy为角钢的屈服强度，η为折减系数η＝0.6+0.0015λ，获得FRP加固角钢构件的计算方法。
可选地，还包括以下步骤，
S006，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，如下：
ξ＝a+b×t+c×k+d×t2+e×t×k+f×k2, (10)
对公式(10)中，假设FRP布层数为t，角钢的长细比为k，建立最终拟合的修正系数ξ公式为：
ξ＝1.023-5.61773e-4t-0.00169k-4.07913e-4t2+1.08127e-5tk+7.58929e-6k2(11)
将最终拟合的修正系数ξ引入至式(9)中，进行拟合修正后，最终形成基于非线性拟合的FRP加固角钢承载力的计算方法，即式(12)：
步骤S001中，获得待加固角钢和FRP加固材料参数中，获得待加固角钢的肢宽h、肢厚t、长度L、屈服强度fy和弹性模量Es，FRP加固材料的纵向弹性模量Ef。
其中，步骤S001中，还包括通过获得待加固角钢的荷载-位移曲线，提取角钢的荷载-位移曲线的曲线极值为角钢的承载力。
其中，步骤S001中，所述获得待加固角钢的荷载-位移曲线方法为：选择某一种规格的角钢进行输电塔角钢加固数值试验，试验过程中，保持同一角钢截面，改变角钢的长细比和FRP布的粘结厚度。
其中，步骤S001中，还包括计算角钢的初始长细比λ，
其中，l0为角钢的长度，i为回转半径，μ为长度因素。
步骤S006中，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，非线性回归分析方法为在步骤S005中引入二次多项式非线性拟合的修正系数ξ。
步骤S002中，FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
If＝Izf+Iyf
其中，Af表示FRP材料的截面面积。
本实施例所述技术方案采用FRP材料加固角钢能够很好的解决角钢加固过程中改变原角钢截面形式的问题，在能够提供加固效果的同时也并不会增加结构自重，减少了加固过程中的施工难度和施工安全的不确定性。且引入一种用来确定截面换算系数的复合截面比例系数Qe、提出加固角钢后的等效复合截面面积Aeq、等效截面惯性矩Ieq、等效长细比λeq的计算方法，并结合《钢结构设计标准》受压构件计算方法得到了FRP加固角钢承载力的初步理论分析方法，并提出一种基于二次多项式的非线性回归分析方法计算得到的修正系数ξ对以上步骤中得到的FRP加固角钢整体承载力的计算方法进拟合修正，最终得到计算精度较高的FRP材料加固角钢的理论承载力分析计算方法，该方法的采用对加固后角钢承载力进行评估，大幅减少了数值试验、物理试验产生的巨大人力物力成本，提高了评估便捷性与普适性。此外，FRP材料还具有密度小的特点，使得加固工作更为便捷和高效。
另外，本实施例所述技术方案经过仿真模拟与理论计算验证分析，未经修正系数ξ修正时，承载力误差范围在3.89％～9.91％之间，经修正系数ξ修正后，承载力误差范围缩小至-2.70％～1.77％，并得到拟合相关系数R2的值为0.727，表明拟合良好，证明增设修正系数ξ后能有效提高理论解计算精度。FRP布-角钢构件轴压计算方法修正系数拟合曲面如附图3所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
S001，获得待加固角钢和FRP加固材料参数，根据获得的FRP加固材料的纵向弹性模量Ef和待加固角钢的钢材弹性模量Es，确定待加固角钢的复合截面比例系数Qe：
S002，计算FRP加固材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面面积，并将复合截面面积换算为等效复合截面面积Aeq为：
其中，Aeq为FRP布-角钢的等效复合截面面积，AS为角钢的钢材截面面积；Af为FRP布材料的截面面积；
S002，通过下述(4)-(6)式计算角钢的截面惯性矩Is，以及按照相同计算方法获得FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
Is＝Izs+Iys, (6)
其中，Izs表示角钢的Z轴截面惯性矩，Iys表示角钢的Y轴截面惯性矩，Is表示角钢的截面惯性矩，AS为角钢的钢材截面面积；
S003，计算FRP材料加固角钢后形成的FRP-角钢构件的复合截面惯性矩，并根据角钢的复合截面比例系数Qe，计算出FRP-角钢等效截面惯性矩：
其中，Ieq为FRP布-角钢等效截面惯性矩，IS为角钢截面惯性矩；If为FRP材料的截面惯性矩；
S004，根据角钢的长度l0和角钢的复合截面比例系数Qe，计算加固后角钢的等效长细比λeq：
其中，λeq为FRP-角钢的等效长细比；l0为角钢的长度；ieq为FRP-角钢的等效回转半径；
S005，根据《钢结构设计标准》受压构件计算方法，推导FRP加固角钢构件的承载力计算公式为：
其中，FN为FRP布-角钢的承载力，为FRP-角钢的等效稳定系数，fy为角钢的屈服强度，η为折减系数η＝0.6+0.0015λ，获得FRP加固角钢构件的计算方法。
2.根据权利要求1所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：还包括以下步骤，
S006，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，如下：
ξ＝a+b×t+c×k+d×t2+e×t×k+f×k2, (10)
对公式(10)中，假设FRP布层数为t，角钢的长细比为k，建立最终拟合的修正系数ξ公式为：
ξ＝1.023-5.61773e-4t-0.00169k-4.07913e-4t2+1.08127e-5tk+7.58929e-6k2 (11)
将最终拟合的修正系数ξ引入至式(9)中，进行拟合修正后，最终形成基于非线性拟合的FRP加固角钢承载力的计算方法，即式(12)：
3.根据权利要求2所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S001中，获得待加固角钢和FRP加固材料参数中，获得待加固角钢的肢宽h、肢厚t、长度L、屈服强度fy和弹性模量Es，FRP加固材料的纵向弹性模量Ef。
4.根据权利要求2所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S001中，还包括通过获得待加固角钢的荷载-位移曲线，提取角钢的荷载-位移曲线的曲线极值为角钢的承载力。
5.根据权利要求4所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S001中，所述获得待加固角钢的荷载-位移曲线方法为：选择某一种规格的角钢进行输电塔角钢加固数值试验，试验过程中，保持同一角钢截面，改变角钢的长细比和FRP布的粘结厚度。
6.根据权利要求4所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S001中，还包括计算角钢的初始长细比λ，
其中，l0为角钢的长度，i为回转半径，μ为长度因素。
7.根据权利要求2所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S006中，基于非线性回归分析方法计算得到修正系数ξ，非线性回归分析方法为在步骤S005中引入二次多项式非线性拟合的修正系数ξ。
8.根据权利要求1所述的一种输电塔角钢无损加固后承载力计算方法，其特征在于：步骤S002中，FRP材料的截面惯性矩If，计算方法如下：
If＝Izf+Iyf
其中，Af表示FRP材料的截面面积。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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