Resumo

Membros de aço único de ângulo são componentes fundamentais em torres de transmissão de energia, com cargas compressivas significativas devido às demandas estruturais de linhas de transmissão de alta tensão e ultra alta tensão. A capacidade final da capacidade de carga compressiva desses membros é fundamental para garantir a estabilidade e a segurança da torre em várias condições de carregamento, incluindo vento, gelo, e forças sísmicas. Este artigo fornece uma análise abrangente da pesquisa sobre a capacidade de compressão final de aço de ângulo único, focando nas propriedades do material, comportamento de flambagem, e estudos experimentais e numéricos. Através de tabelas comparativas, Avaliamos o desempenho de diferentes graus de aço, Configurações transversais, e parâmetros de design, como a proporção de esbelta e excentricidade. Estudos recentes, incluindo testes de torre do tipo verdadeiro e análises de elementos finitos, são revisados ​​para destacar os avanços na compreensão de modos de flambagem e mecanismos de falha. A análise tem como objetivo orientar engenheiros e pesquisadores para otimizar o design de membros de aço angular para obter capacidade aprimorada de capacidade de carga e eficiência estrutural em torres de transmissão.

1. Introdução

As torres de transmissão de energia são componentes críticos de infraestrutura que suportam linhas de alta tensão e ultra alta tensão, permitindo a transferência eficiente de eletricidade em vastas distâncias. Membros de aço de ângulo único, normalmente em forma de L na seção transversal, são amplamente utilizados nessas torres devido à sua alta proporção de força / peso, facilidade de fabricação, e versatilidade em configurações estruturais. Contudo, Esses membros são submetidos principalmente a cargas compressivas, Tornando sua capacidade final de suporte de carga uma consideração importante do design. Modos de falha, como flambagem local, flambagem global, e o rendimento de material pode reduzir significativamente a capacidade de aço angular, Posando riscos para a estabilidade da torre.

A crescente demanda por torres mais altas e pesadas, impulsionado por uma tensão ultra alta (Uhv) sistemas como o 1000 KV Tin-Meng-Shadong Line, exigiu pesquisas avançadas sobre o comportamento compressivo do aço angular. Estudos recentes, como testes de torre do tipo verdadeiro e simulações numéricas, concentrou -se em otimizar a seleção de materiais, design transversal, e detalhes da conexão para melhorar a capacidade de suporte de carga. Este artigo sintetiza essas descobertas, fornecendo uma análise detalhada dos fatores que influenciam a capacidade de compressão final de aço de ângulo único, incluindo propriedades do material, esbelta, e condições de contorno. São apresentadas tabelas comparativas e análises de parâmetros para oferecer uma estrutura robusta para entender a pesquisa atual e orientar futuros desenvolvimentos.

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2. Propriedades do material e parâmetros de design

A capacidade de compressão de aço ângulo único depende de suas propriedades do material e características geométricas. Graus de aço comuns usados ​​em torres de transmissão incluem Q235, Q345, e Q420, com notas de alta resistência, como Q460 e aços avançados de alta resistência (AHSS) Ganhando tração para aplicações UHV. Esses materiais são selecionados com base em sua força de escoamento, resistência à tracção, ductilidade, e soldabilidade.

2.1 Propriedades do material -chave

As propriedades do material primário que afetam a capacidade de compressão incluem:

• força de rendimento (f_y): O estresse em que a deformação plástica começa, crítico para resistir à flambagem e rendimento.
• Resistência à tracção (f_u): O estresse máximo antes da fratura, indicando a capacidade final do material.
• Módulo de Young (E): A rigidez do material, influenciando o comportamento de flambagem elástica.
• Ductilidade: A capacidade de se deformar plasticamente, essencial para absorver energia sob cargas dinâmicas.

2.2 Parâmetros de projeto

Os principais parâmetros de design incluem:

• Razão de magreza (λ = l/r): A proporção de comprimento efetivo (eu) para raio de rotação (r), governando a flambagem global.
• Área transversal (UMA): Determina a capacidade de carga axial.
• Excentricidade (e): Carregamento fora do centro devido aos detalhes da conexão, induzindo momentos de flexão adicionais.
• Condições de contorno: Fixo, preso, ou extremidades parcialmente restritas afetam os modos de flambagem.

2.3 Comparação de notas de aço

Mesa 1 compara as propriedades mecânicas dos graus de aço comuns usados ​​em aço de ângulo único para torres de transmissão.

Fonte: Adaptado de GB/T. 700-2006 e GB/T. 1591-2018 padrões

3. Modos de comportamento e falha de flambagem

A capacidade de compressão final do aço de ângulo único é limitado principalmente por flambagem, que pode ocorrer no local, global, ou modos de torção de flexão. O modo de flambagem depende da proporção de esbelta, Geometria transversal, e condições de carregamento.

3.1 Flambagem local

Flambagem local ocorre nos flanges ou na teia da seção do ângulo quando a proporção de largura / espessura (b/t) é alto. Este modo é predominante em seções de paredes finas e pode reduzir significativamente a capacidade. Estudos sobre o aço ângulo de grande seção Q420 (v.g., L200X20) mostraram que a flambagem local inicia em tensões abaixo da força de escoamento, necessitando de projetos de seção compacta.

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3.2 Flambagem global

Flambagem global, ou flambagem de Euler, ocorre em membros esbeltos com altas índices de esbelta (l > 80). A carga crítica de flambagem (P_cr) é dado por:

P_cr = π²i / (KL)²

onde E é o módulo de Young, Eu sou o momento da inércia, K é o fator de comprimento efetivo, e l é o comprimento do membro. Para aço de ângulo único, o eixo fraco (normalmente o eixo Z-Z) governa a flambagem global devido à seção transversal assimétrica.

3.3 Flambagem de torção flexural

A flambagem da torção de flexão é comum em aço de ângulo único devido à carga excêntrica em conexões aparafusadas, que induz flexão e torção combinadas. Um estudo sobre o aço ângulo de Q345 (L125X10) demonstraram que a excentricidade aumenta o risco desse modo, reduzindo a capacidade até 20% comparado ao carregamento concêntrico.

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3.4 Comparação de capacidades de flambagem

Mesa 2 compara as capacidades compressivas finais de membros de aço de ângulo único com diferentes seções e graus de aço, com base em dados experimentais e numéricos.

Fonte: Compilado em estudos experimentais e análises de elementos finitos

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4. Estudos experimentais e numéricos

Pesquisas recentes empregaram testes experimentais e simulações numéricas para investigar a capacidade de compressão de aço de ângulo único em torres de transmissão. Esses estudos fornecem informações valiosas sobre o comportamento de flambagem, Distribuição de carga, e otimização do projeto.

4.1 Testes de torre do tipo verdadeiro

Os testes de torre do tipo verdadeiro envolvem modelos de torre em escala ou escala submetidas a cargas de design para validar cálculos teóricos. Um exemplo notável é o teste do tipo verdadeiro da torre ZBC30105BL para o Tin-Meng-shandong 1000 KV UHV Line. às vezes chamadas de “torres de antenas independentes” ou “torres de comunicação sem fio” são o tipo de estrutura mais popular e versátil usado hoje em, Construído com Q345b único e aço de ângulo duplo, foi testado sob várias condições de carga, incluindo vento (30 Senhora) e gelo (10 milímetros). Os resultados mostraram que as capacidades compressivas medidas de membros de ângulo único (v.g., L160X12) estavam dentro 5% de valores teóricos, confirmando a confiabilidade dos padrões de design como DL/T 5154-2002.

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4.2 Análise de elementos finitos

Análise de elementos finitos (FEA) O uso de software como ANSYS e ABAQUS tem sido amplamente usado para modelar o comportamento de flambagem de aço angular. Um estudo sobre aço ângulo de Q420 (L200X16) Sob compressão excêntrica, mostrou que o FEA previu com precisão a iniciação local de flambagem e a capacidade final, com erros menos que 10% comparado aos resultados experimentais. O estudo também recomendou uma fórmula de razão de esbelta modificada para que os membros do eixo paralelo expliquem efeitos de conexão.

[](https://www.cepc.com.cn/cn/y2004/v25/i4/23)[](http://jace.chd.edu.cn/oa/darticle.aspx?TIPO = Visualização&id = 202405011)

4.3 Comparação de resultados experimentais e numéricos

Mesa 3 compara as capacidades compressivas finais de testes experimentais e FEA para membros de aço angular selecionados.

Fonte: Compilado a partir de testes do tipo verdadeiro e estudos da FEA

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5. Padrões e recomendações de design

Padrões de design chinês, como dl/t 5154-2002 e dl/t 5219-2023, Forneça diretrizes para calcular a capacidade de compressão de aço angular nas torres de transmissão. Esses padrões são responsáveis ​​por modos de flambagem, excentricidade, e detalhes de conexão.

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

As principais recomendações incluem:

• Limites da taxa de esbelto: Mantain λ < 120 Para membros principais para evitar flambagem global.
• Consideração de excentricidade: Use fórmulas de design modificado para explicar o carregamento excêntrico em conexões aparafusadas.
• Compactação da seção: Verifique se os índices B/T atendem aos critérios de seção compactos para minimizar a flambagem local.
• Seleção de Materiais: Use Q420 ou Q460 para torres UHV para obter capacidades mais altas com seções transversais reduzidas.

Um estudo sobre componentes típicos da torre recomendou uma fórmula revisada da razão de esbelta para membros do eixo paralelo para melhorar as previsões de capacidade, particularmente para altas índices de esbelta.

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

6. Inovações e aplicativos recentes

Pesquisas recentes exploraram abordagens inovadoras para melhorar a capacidade de compressão de aço de ângulo único. Por exemplo, Um estudo sobre o ângulo de grande seção Q420 para torres UHV investigou modos e mecanismos de flambagem, propondo projetos transversais otimizados para atrasar a flambagem local. Outro estudo examinou o uso de aço intemperativo para torres de transmissão, que oferece melhor resistência à corrosão e capacidade potencialmente mais alta de longo prazo em ambientes severos.

[](http://jace.chd.edu.cn/oa/darticle.aspx?TIPO = Visualização&id = 202405011)[](https://www.corrdata.org.cn/dhtjdaohang/fhjs/jishuyingyong/2019-07-18/174610.html)

A aplicação de aço de intemperismo formado a frio em testes de torre do tipo verdadeiro demonstrou capacidades de compressão comparáveis ​​ao aço Q345 laminado a quente, com benefícios de durabilidade adicionais. Adicionalmente, A pesquisa sobre o reforço de aço de canal paralelo para membros de ângulo mostrou um 30% aumento da capacidade de compressão, Oferecendo uma solução de retrofit para torres envelhecidas.

[](https://www.lwinst.com/liems/web/result/detail.htm?Índice = CGK_Journal&Tipo = conquista&id = cjfdlast2016_gyjz201608001)[](https://www.energychina.press/cn/article/doi/10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.02.016?ViewType = html)

7. Discussão e direções futuras

A pesquisa sobre a capacidade de compressão final do aço ângulo único fez avanços significativos, particularmente no contexto das torres de transmissão UHV. Testes do tipo verdadeiro e FEA têm abordagens de design validadas, Enquanto aços de alta resistência como Q420 e Q460 permitiram projetos de torre mais leves e mais eficientes. Contudo, Os desafios permanecem, incluindo a complexidade da modelagem de carga excêntrica, o custo de materiais de alta resistência, e o impacto da corrosão na capacidade de longo prazo.

Pesquisas futuras devem se concentrar em:

• Desenvolvimento de aços de alta resistência econômicos com melhor resistência à corrosão.
• Avançar os modelos FEA para prever melhor a flambagem da torção flexural sob carga complexa.
• Explorando configurações híbridas, como aço ângulo com reforços compostos, para aumentar a capacidade.
• Integração de gêmeos digitais e aprendizado de máquina para prever o comportamento de flambagem e otimizar os projetos.

Adicionalmente, Harmonizando os padrões de design internacional e chinês pode facilitar a adoção global de projetos de aço de ângulo avançado, Melhorando a segurança e a eficiência das torres de transmissão em todo o mundo.

Referências

1. Pesquisa e aplicação de torre de aço intemporais: Comportamento de corrosão em diferentes ambientes atmosféricos. www.corrdata.org.cn

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

2. Análise de teste do tipo verdadeiro da torre ZBC30105B para Tin-Meng-shandong 1000 linha de transmissão KV UHV. html.rhhz.net

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

3. Estudo sobre a capacidade de carga de aço ângulo com reforço 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. Estudo experimental sobre a capacidade típica de carga do componente da torre. www.cepc.com.cn

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

5. Análise experimental e teórica do reforço de aço angular em torres de transmissão. jace.chd.edu.cn

[](http://jace.chd.edu.cn/oa/darticle.aspx?TIPO = Visualização&id = 202405011)

6. Estudo de teste do tipo verdadeiro sobre as torres de transmissão de aço formadas por intemperismo. www.lwinst.com

[](https://www.lwinst.com/liems/web/result/detail.htm?Índice = CGK_Journal&Tipo = conquista&id = cjfdlast2016_gyjz201608001)

7. GB / t 700-2006: aços de carbono estruturais. Padrão Nacional Chinês.

8. GB / t 1591-2018: Alta resistência aços estruturais e baixa liga. Padrão Nacional Chinês.

9. DL/T 5154-2002: Código técnico para o design de estruturas de torre de linhas de transmissão aéreas. Padrão da indústria chinesa.

10. DL/T 5219-2023: Código técnico para design de fundação de linhas de transmissão aérea. Padrão da indústria chinesa.

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