主管軸力對(duì)鋼管塔K型節(jié)點(diǎn)極限承載力影響研究

尤 軍，李正良，白 強(qiáng)，張 朝

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045;2.中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

高壓輸變電工程是重要的生命線工程，作為主要結(jié)構(gòu)的塔架，其安全性是保障大規(guī)模區(qū)域電力系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。鋼管塔在我國(guó)剛開始應(yīng)用，國(guó)內(nèi)還未對(duì)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造作專門研究。目前國(guó)內(nèi)外的大量研究工作主要集中在直接相貫焊接的鋼管結(jié)點(diǎn)上，Ariyoshi等建立了該類結(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為各國(guó)規(guī)范公式的形成提供依據(jù)，Kim［1，2］、Wang［3］等采用有限元法對(duì)直接相貫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。Soh［4］、陳以一［5］、余世策［6］采用屈服線模型對(duì)鋼管結(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行了簡(jiǎn)化理論分析，鮑侃袁［7］采用母線梁分離模型對(duì)鋼管塔K型節(jié)點(diǎn)極限承載力進(jìn)行了理論分析，其計(jì)算結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。但這些研究和分析都存在一個(gè)共同的問題，基本沒有考慮主管軸力的影響，或者是對(duì)軸力的影響考慮得不夠充分。目前我國(guó)在設(shè)計(jì)鋼管塔時(shí)較多借鑒日本的方法，在日本的《輸電鋼管塔制作標(biāo)準(zhǔn)》［8］中對(duì)于主管軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響只是簡(jiǎn)單的給出了一個(gè)折減系數(shù)。但是在鋼管塔的受力節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)的主管的軸力是非常大的，而現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)研究中卻沒有涉及到受力節(jié)點(diǎn)中主管的軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。通過一系列的有限元計(jì)算分析，以期準(zhǔn)確的把握主管軸力對(duì)鋼管塔節(jié)點(diǎn)的承載力的影響，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 鋼管塔中管-板受力特點(diǎn)

在高聳鋼管塔中有很多種類型的管-板節(jié)點(diǎn)，其中K型節(jié)點(diǎn)具有一定的代表性，為此對(duì)K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析。如圖1a可知，在節(jié)點(diǎn)整體受力平衡的條件下要滿足:

圖1 K型管-板節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值模擬

通過建立有限元模型，并且對(duì)于不同參數(shù)下的模型的分析得到主管軸力對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力的影響情況。運(yùn)用有限元程序ANSYS10.0對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，采用殼單元shell181來(lái)模擬不同參數(shù)的節(jié)點(diǎn)板、鋼管和加強(qiáng)環(huán)板(圖2)。

圖2 有限元模型及加載方式

3 主管軸力對(duì)1/4環(huán)形加強(qiáng)板承載力的影響

圖3 1/4加強(qiáng)板情況下主管軸力對(duì)極限承載力的關(guān)系曲線

3.1 不同臂長(zhǎng)情況下主管軸力的影響情況

在日本的《輸電鋼管塔制作標(biāo)準(zhǔn)》中主要考慮的是節(jié)點(diǎn)板和主管交接處的彎矩M對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力的影響，而沒有考慮到剪力Q的影響。因?yàn)檫@個(gè)原因，特別考察了3種不同的臂長(zhǎng)L情況下主管軸力的影響情況。

通過有限元分析得出主管軸力在不同臂長(zhǎng)L的情況下對(duì)1/4環(huán)形加強(qiáng)板情況下局部承載力的影響關(guān)系曲線(圖3)，對(duì)應(yīng)的極限彎矩承載力見表1。計(jì)算條件:主管規(guī)格為219×6，節(jié)點(diǎn)板高度B=657 mm，厚度t=16 mm，加強(qiáng)環(huán)板高度R=40.5 mm，厚度tr=6 mm。

從圖3看出:單臂長(zhǎng)度越短，主管軸向荷載的影響越大。臂長(zhǎng)L為109.5 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力明顯小于臂長(zhǎng)為400 mm和650 mm的承載力，而臂長(zhǎng)為400 mm和650 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載力則相差不大。這主要是由于剪力Q的存在影響了節(jié)點(diǎn)的承載力，當(dāng)臂長(zhǎng)較短為109.5 mm時(shí)剪力的影響是非常明顯的，隨著臂長(zhǎng)的增加剪力的影響逐漸減弱，所以臂長(zhǎng)為400 mm和650 mm時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載力相差不大。從圖3可以看出軸力在軸壓比從0增加到40%時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載力沒有明顯的下降。以后隨著軸壓比的增大，節(jié)點(diǎn)的承載力會(huì)急劇下降。在這種情況下，主管軸力對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響必須要引起重視。

3.2 同臂長(zhǎng)情況下主管軸力的影響情況

從上一節(jié)可以看到主管軸力對(duì)臂長(zhǎng)較短的情況影響是最大的，所以為了進(jìn)一步弄清楚不同參數(shù)對(duì)N/Ny-KN(KN:軸力影響折減系數(shù))關(guān)系曲線的影響，借助有限元對(duì)臂長(zhǎng)為109.5 mm的各種參數(shù)情況下的模型進(jìn)行了分析，其影響曲線如圖4-圖10。

從圖4可以看出:當(dāng)節(jié)點(diǎn)的最終承載力由加強(qiáng)環(huán)板控制時(shí)(加強(qiáng)環(huán)板最先發(fā)生破壞喪失承載力)主管管壁厚度不同時(shí)的承載力折減系數(shù)差值相互接近差值非常小，從上面的曲線可以看出壁厚對(duì)承載力折減系數(shù)的影響比較小。

圖4 不同壁厚下1/4加強(qiáng)板承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(環(huán)板控制)D=219 mm，R=40.5 mm，tr=12 mm

圖5 不同環(huán)板厚度下1/4加強(qiáng)板承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(環(huán)板控制)D=219 mm，T=6 mm ，R=40.5 mm

從圖5可以看出:不同環(huán)板厚度的承載力折減系數(shù)差值約為10%左右，環(huán)板厚度對(duì)承載力折減系數(shù)的影響比較小。(不同環(huán)板厚度的影響)說明軸壓比對(duì)環(huán)板厚度較大的構(gòu)件影響相對(duì)要大一些。

圖6 不同環(huán)板寬度和鋼管壁厚下承載力折減系數(shù)與N /Ny的關(guān)系曲線(環(huán)板控制)D=219 mm

圖7 不同環(huán)板寬度下承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(環(huán)板控制)D=219 mm，T=6 mm，tr=12 mm

圖8 不同壁厚承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(鋼管控制)D=219 mm，R=40.5 mm，tr=12 mm

圖9 不同環(huán)板寬度下承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(鋼管控制)D=219 mm，T=6 mm，tr=12 mm

圖10 不同環(huán)板厚度下承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線(鋼管控制)D=219 mm，T=5 mm，R=70.5 mm

圖11 1/4加強(qiáng)板承載力折減系數(shù)的計(jì)算值

對(duì)以上由鋼管控制和環(huán)板控制在一定N/Ny值下得到的承載力折減系數(shù)取平均值，從圖11可以看出:鋼管控制(計(jì)算值)比環(huán)板控制(計(jì)算值)偏小，為了安全起見，并對(duì)平均值(鋼管控制)進(jìn)行擬合得到1/4環(huán)形加強(qiáng)板單側(cè)受力折減系數(shù)曲線(圖13)。

圖12 不同擬合起點(diǎn)1/4加強(qiáng)板承載力折減系數(shù)與N/Ny的關(guān)系曲線

從圖12可以看出:前3幅擬合曲線圖都違背其實(shí)際物理意義。因?yàn)閷?shí)際情況是在N/Ny=0時(shí)，承載力折減系數(shù)取得最大值為1，而不應(yīng)該是在其它位置取得最大值。從0.4開始擬合的曲線在主管承載力比值為0.4～1.0之間時(shí)是逐漸遞減的;根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在0～0.4之間的數(shù)據(jù)近似看成線性遞減關(guān)系，為了保證曲線的光滑性，0～0.4之間的線性函數(shù)關(guān)系通過邊界條件得到，不再進(jìn)行擬合。即:根據(jù)N/Ny=0時(shí)，KN=1.0和N/Ny=0.4，KN的值其值由0.4～1.0之間數(shù)據(jù)的擬合曲線確定。根據(jù)以上原則，得到1/4加強(qiáng)環(huán)板單側(cè)受力折減系數(shù)曲線。

圖13 1/4環(huán)形加強(qiáng)板單側(cè)受力折減系數(shù)曲線

為安全起見，取主管軸力對(duì)1/4環(huán)形加強(qiáng)板情況下局部承載力的影響系數(shù)如下:

4 結(jié)論

對(duì)帶連接板的K型鋼管結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，表明對(duì)于帶1/4環(huán)形加強(qiáng)板的K型結(jié)點(diǎn)的極限承載力，不僅與主管壁厚t、主管直徑D、1/4環(huán)形加強(qiáng)板的厚度tr和高度R有關(guān)，更重要的是還和現(xiàn)時(shí)狀態(tài)下的主管軸向力N密切相關(guān)。提出了鋼管在組合外力(有軸力)作用下存在軸力影響折減系數(shù)KN，并通過數(shù)據(jù)擬合，得到了相對(duì)保守的KN的具體表達(dá)式，可以運(yùn)用于實(shí)際的鋼管塔設(shè)計(jì)中。

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