Abstracto

Los miembros de acero de ángulo único son componentes fundamentales en torres de transmisión de energía, Rinuando cargas de compresión significativas debido a las demandas estructurales de líneas de transmisión de alto voltaje y ultra alto voltaje. La máxima capacidad de carga de compresión de estos miembros es fundamental para garantizar la estabilidad y seguridad de la torre en diversas condiciones de carga, incluido el viento, hielo, y fuerzas sísmicas. Este artículo proporciona un análisis exhaustivo de la investigación sobre la máxima capacidad de compresión del acero de un solo ángulo, Centrarse en las propiedades del material, comportamiento de pandeo, y estudios experimentales y numéricos. A través de tablas comparativas, Evaluamos el rendimiento de diferentes grados de acero, Configuraciones transversales, y parámetros de diseño, tales como la relación esbelta y la excentricidad. Estudios recientes, incluyendo pruebas de torre de tipo verdadero y análisis de elementos finitos, se revisan para resaltar los avances para comprender los modos de pandeo y los mecanismos de falla. El análisis tiene como objetivo guiar a los ingenieros e investigadores para optimizar el diseño de miembros de Angle Steel para una mayor capacidad de carga de carga y eficiencia estructural en torres de transmisión.

1. Introducción

Las torres de transmisión de potencia son componentes críticos de infraestructura que admiten líneas de alto voltaje y ultra alto voltaje, permitiendo la transferencia eficiente de electricidad a través de grandes distancias. Miembros de acero de un solo ángulo, típicamente en forma de L en sección transversal, se usan ampliamente en estas torres debido a su alta relación resistencia / peso, Facilidad de fabricación, y versatilidad en configuraciones estructurales. sin embargo, Estos miembros están sujetos principalmente a cargas de compresión, Haciendo de su capacidad de carga final una consideración de diseño clave. Modos de falla como el pandeo local, pandeo global, y el rendimiento del material puede reducir significativamente la capacidad del acero angular, plantear riesgos para la estabilidad de la torre.

La creciente demanda de torres más altas y de carga más pesada, impulsado por ultra alto voltaje (Uhv) sistemas como el 1000 Línea KV Tin-Meng-Shadong, ha requerido una investigación avanzada sobre el comportamiento de compresión del acero angular. Estudios recientes, tales como pruebas de torre de tipo verdadero y simulaciones numéricas, se han centrado en optimizar la selección de materiales, diseño transversal, y detalles de conexión para mejorar la capacidad de carga. Este artículo sintetiza estos hallazgos, Proporcionar un análisis detallado de los factores que influyen en la máxima capacidad de compresión del acero de un solo ángulo, incluyendo propiedades del material, esbeltez, y condiciones límite. Se presentan tablas comparativas y análisis de parámetros para ofrecer un marco sólido para comprender la investigación actual y guiar los desarrollos futuros.

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2. Propiedades del material y parámetros de diseño

La capacidad de compresión del acero de un solo ángulo depende de sus propiedades del material y características geométricas. Las calificaciones de acero comunes utilizadas en las torres de transmisión incluyen Q235, Q345, y Q420, con calificaciones de mayor resistencia como Q460 y aceros avanzados de alta resistencia (Ahss) Ganar tracción para aplicaciones UHV. Estos materiales se seleccionan en función de su resistencia de rendimiento, resistencia a la tracción, ductilidad, y soldabilidad.

2.1 Propiedades del material clave

Las propiedades principales del material que afectan la capacidad de compresión incluyen:

• Límite elástico (f_y): El estrés en el que comienza la deformación plástica, crítico para resistir el pandeo y el rendimiento.
• Resistencia a la tracción (F_U): El estrés máximo antes de la fractura, Indicando la máxima capacidad del material.
• Módulo de Young (mi): La rigidez del material, influir en el comportamiento de pandeo elástico.
• Ductilidad: La capacidad de deformarse plásticamente, Esencial para absorber energía bajo cargas dinámicas.

2.2 Parámetros de diseño

Los parámetros de diseño clave incluyen:

• Relación de esbeltez (λ = L/R): La relación de longitud efectiva (L) al radio de giro (riñonal), Gobernando el pandeo global.
• Área transversal (UN): Determina la capacidad de carga axial.
• Excentricidad (mi): Carga fuera del centro debido a los detalles de la conexión, inducir momentos de flexión adicionales.
• Condiciones de contorno: Fijado, cubierto, o los extremos parcialmente restringidos afectan los modos de pandeo.

2.3 Comparación de grados de acero

Mesa 1 Compara las propiedades mecánicas de los grados de acero comunes utilizados en acero de ángulo único para torres de transmisión.

Fuente: Adaptado de GB/T 700-2006 y GB/T 1591-2018 normas

3. Modos de comportamiento de pandeo y falla

La máxima capacidad de compresión del acero de un solo ángulo está principalmente limitada por el pandeo, que puede ocurrir en local, global, o modos de torsional de flexión. El modo de pandeo depende de la relación esbeltez, geometría transversal, y condiciones de carga.

3.1 Pandeo local

El pandeo local ocurre en las bridas o la red de la sección de ángulo cuando la relación de ancho a espesa (b/t) es alto. Este modo prevalece en secciones de paredes delgadas y puede reducir significativamente la capacidad. Estudios sobre acero de ángulo de sección grande Q420 (por ejemplo, L200X20) han demostrado que el pandeo local se inicia en tensiones por debajo de la fuerza de rendimiento, Requerir diseños de sección compacta.

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3.2 Pandeo global

Pandeo global, o Euler Buckling, ocurre en miembros delgados con altas relaciones de esbeltez (l > 80). La carga crítica de pandeo (P_CR) es dado por:

P_cr = π²i / (KL)²

donde E es el módulo de Young, Yo es el momento de inercia, K es el factor de longitud efectivo, y l es la longitud del miembro. Para acero de ángulo único, el eje débil (Típicamente el eje Z-Z) gobierna el pandeo global debido a la sección transversal asimétrica.

3.3 Pandeo de flexión

El pandeo de la flexión-Torsional es común en el acero de un solo ángulo debido a la carga excéntrica en las conexiones atornilladas, que induce flexión y torsión combinadas. Un estudio sobre el acero del ángulo Q345 (L125x10) demostró que la excentricidad aumenta el riesgo de este modo, reducir la capacidad hasta hasta 20% en comparación con la carga concéntrica.

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3.4 Comparación de capacidades de pandeo

Mesa 2 compara las mejores capacidades de compresión de los miembros de acero de ángulo único con diferentes secciones transversales y grados de acero, Basado en datos experimentales y numéricos.

Fuente: Compilado de estudios experimentales y análisis de elementos finitos

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4. Estudios experimentales y numéricos

Investigaciones recientes han empleado pruebas experimentales y simulaciones numéricas para investigar la capacidad de compresión del acero de un solo ángulo en las torres de transmisión. Estos estudios proporcionan información valiosa sobre el comportamiento de pan., distribución de la carga, y optimización del diseño.

4.1 Pruebas de torre de tipo verdadero

Las pruebas de torre de tipo verdadero implican modelos de torre a escala completa o escalada sometidos a cargas de diseño para validar los cálculos teóricos. Un ejemplo notable es la prueba de tipo verdadero de la torre ZBC30105BL para el tin-meng-shandong 1000 Línea KV UHV. a veces denominadas "torres de antena independientes" o "torres de comunicación inalámbrica" ​​son el tipo de estructura más popular y versátil que se utiliza en la actualidad., Construido con acero de ángulo único y doble Q345B, fue probado en varias condiciones de carga, incluido el viento (30 Sra) y hielo (10 mm). Los resultados mostraron que las capacidades de compresión medidas de los miembros de un solo ángulo (por ejemplo, L160X12) estaban dentro 5% de valores teóricos, Confirmando la confiabilidad de los estándares de diseño como DL/T 5154-2002.

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4.2 Análisis de elementos finitos

Análisis de elementos finitos (FEA) El uso de software como ANSYS y ABAQUS se ha utilizado ampliamente para modelar el comportamiento de pandeo de Angle Steel. Un estudio sobre el acero del ángulo Q420 (L200X16) Bajo la compresión excéntrica mostró que FEA predijo con precisión el inicio del pandeo local y la capacidad final, con errores menores de 10% en comparación con los resultados experimentales. El estudio también recomendó una fórmula de relación de esbeltez modificada para los miembros del eje paralelo para tener en cuenta los efectos de conexión.

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4.3 Comparación de resultados experimentales y numéricos

Mesa 3 Compara las mejores capacidades de compresión a partir de pruebas experimentales y FEA para miembros de acero angular seleccionados.

Fuente: Compilado a partir de pruebas de tipo verdadero y estudios de FEA

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5. Estándares y recomendaciones de diseño

Estándares de diseño chinos, como dl/t 5154-2002 y dl/t 5219-2023, Proporcionar pautas para calcular la capacidad de compresión del acero angular en las torres de transmisión. Estos estándares representan los modos de pandeo, excentricidad, y detalles de conexión.

[](https://www.cepds.com/u/cms/www/202112/031412127pyd.pdf)[](https://www.cepc.com.cn/cn/y2004/v25/i4/23)

Las recomendaciones clave incluyen:

• Límites de relación de esbeltez: Mantrain λ < 120 para que los miembros principales eviten el pandeo global.
• Consideración de excentricidad: Use fórmulas de diseño modificadas para tener en cuenta la carga excéntrica en las conexiones atornilladas.
• Sección de compacidad: Asegúrese de que las relaciones B/T cumplan con los criterios de sección compacta para minimizar el pandeo local.
• Selección de materiales: Use Q420 o Q460 para las torres UHV para lograr mayores capacidades con secciones transversales reducidas.

Un estudio sobre los componentes de la torre típicos recomendó una fórmula de relación de esbeltez revisada para los miembros del eje paralelo para mejorar las predicciones de capacidad, particularmente para las altas relaciones de esbeltez.

[](https://www.cepc.com.cn/cn/y2004/v25/i4/23)

6. Innovaciones y aplicaciones recientes

Investigaciones recientes han explorado enfoques innovadores para mejorar la capacidad de compresión del acero de un solo ángulo. Por ejemplo, Un estudio sobre acero de ángulo grande de sección grande Q420 para las torres UHV investigó los modos y los mecanismos, Proponer diseños transversales optimizados para retrasar el pandeo local. Otro estudio examinó el uso de acero meteorización para torres de transmisión, que ofrece una mejor resistencia a la corrosión y una capacidad potencialmente más alta a largo plazo en entornos duros.

[](http://jace.chd.edu.cn/oa/darticle.aspx?Tipo = Ver&ID = 202405011)[](https://www.corrdata.org.cn/dhtjdaohang/fhjs/jishuiingyong/2019-07-18/174610.html)

La aplicación de acero de meteorización formado por frío en pruebas de torre de tipo verdadero demostró capacidades de compresión comparables a acero Q345 en caliente, con beneficios de durabilidad adicional. Además, La investigación sobre el refuerzo de acero del canal paralelo para los miembros de Angle mostró un 30% Aumento de la capacidad de compresión, ofreciendo una solución de modernización para torres envejecidas.

[](https://www.lwinst.com/liems/web/result/detail.htm?Índice = CGK_JOURNAL&tipo = logro&ID = CJFDLAST2016_GYJZ201608001)[](https://www.energychina.press/cn/article/doi/10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.016?ViewType = html)

7. Discusión y direcciones futuras

La investigación sobre la máxima capacidad de compresión del acero de un solo ángulo ha hecho avances significativos, particularmente en el contexto de las torres de transmisión UHV. Las pruebas de tipo verdadero y el FEA han validado enfoques de diseño, Mientras que los aceros de alta resistencia como Q420 y Q460 han permitido diseños de torres más ligeros y eficientes. sin embargo, Los desafíos permanecen, incluyendo la complejidad de modelar la carga excéntrica, El costo de los materiales de alta resistencia, y el impacto de la corrosión en la capacidad a largo plazo.

La investigación futura debería centrarse en:

• Desarrollo de aceros rentables de alta resistencia con resistencia a la corrosión mejorada.
• Avance de los modelos FEA para predecir mejor el pandeo de la flexión de la flexión bajo carga compleja.
• Explorando configuraciones híbridas, como el acero angular con refuerzos compuestos, Para mejorar la capacidad.
• Integrando gemelos digitales y aprendizaje automático para predecir el comportamiento de pandeo y optimizar los diseños.

Además, La armonización de los estándares de diseño internacionales y chinos podría facilitar la adopción global de diseños de acero de ángulo avanzado, Mejorar la seguridad y la eficiencia de las torres de transmisión en todo el mundo.

Referencias

1. Investigación y aplicación de la torre de acero meteorológica: Comportamiento de corrosión en diferentes entornos atmosféricos. www.corrdata.org.cn

[](https://www.corrdata.org.cn/dhtjdaohang/fhjs/jishuiingyong/2019-07-18/174610.html)

2. Análisis de prueba de tipo verdadero de la torre ZBC30105BL para Tin-Meng-Shandong 1000 línea de transmisión KV UHV. html.rhhz.net

[](https://html.rhhz.net/nmgdljs/20150509.htm)

3. Estudio sobre la capacidad de carga del acero angular con refuerzo de canal paralelo. www.energychina.Press

[](https://www.energychina.press/cn/article/doi/10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.016?ViewType = html)

4. Estudio experimental sobre la capacidad típica de carga de componentes de la torre. www.cepc.com.cn

[](https://www.cepc.com.cn/cn/y2004/v25/i4/23)

5. Análisis experimental y teórico del refuerzo de acero angular en torres de transmisión. jace.chd.edu.cn

[](http://jace.chd.edu.cn/oa/darticle.aspx?Tipo = Ver&ID = 202405011)

6. Estudio de prueba de tipo verdadero sobre torres de transmisión de acero formadas por frío. www.lwinst.com

[](https://www.lwinst.com/liems/web/result/detail.htm?Índice = CGK_JOURNAL&tipo = logro&ID = CJFDLAST2016_GYJZ201608001)

7. GB/T 700-2006: aceros estructurales de carbono. Estándar nacional chino.

8. GB/T 1591-2018: aceros estructurales de baja aleación de alta resistencia. Estándar nacional chino.

9. DL/T 5154-2002: Código técnico para el diseño de estructuras de torre de líneas de transmisión aérea. Estándar de la industria china.

10. DL/T 5219-2023: Código técnico para el diseño de la base de líneas de transmisión de gastos generales. Estándar de la industria china.

[](https://www.cepds.com/u/cms/www/202112/031412127pyd.pdf)