鋼管輸電塔K型節(jié)點疲勞性能試驗研究

龍 翔， 周 安， 盛宏玉， 何曉雄， 楊志明

（1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學 電子科學與應(yīng)用物理學院，安徽 合肥 230009）

隨著同塔多回路工程、大截面導線工程、大跨越工程的不斷建設(shè)，尤其是目前我國正在加強電網(wǎng)建設(shè)、推進全國聯(lián)網(wǎng)和正在進行電網(wǎng)特高壓升級，輸電鐵塔上荷載將越來越大［1］。特別是2008年初我國南方地區(qū)遭遇50a未遇的冰雪凍雨天氣，輸電鐵塔破壞情況嚴重，從而對輸電鋼管塔的強度和安全性提出了更高的要求。

鋼管結(jié)構(gòu)的輸電塔主要桿件大部分由鋼管做成，主要優(yōu)點是體型好、管迎風體型系數(shù)小、截面回轉(zhuǎn)半徑大且各向同性，因而桿件受壓穩(wěn)定性好、省材。而在鋼管塔的設(shè)計中，跨越輸電塔的高度均會達到100m以上，甚至更高（200～300m），其風荷載效應(yīng)非常突出。

鋼管插板節(jié)點是鋼管塔在大型輸電鐵塔應(yīng)用中塔柱和腹桿連接比較常見的形式。K節(jié)點U形插板如圖1所示，由主管（塔柱）、支管（腹桿）、連接板、U形插板4部分組成，其中主管和連接板、支管和插板焊接成整體后通過螺栓連接。由于節(jié)點板的尺寸可以自由調(diào)整，并且螺栓連接施工簡單，易保證質(zhì)量，因此應(yīng)用廣泛。而鋼管插板節(jié)點將空間力轉(zhuǎn)化為平面力，往往在節(jié)點板和鋼管相交或鄰近的范圍容易產(chǎn)生局部破壞［2］，另外由于采用螺栓連接的拼裝方式通過鋼板間摩擦傳力，對于活載較大的鋼管塔來說，即使外荷載遠小于極限荷載的情況下也極可能發(fā)生疲勞破壞，因此對鋼管節(jié)點的疲勞性能進行研究意義重大。本文研究K節(jié)點在疲勞荷載作用下的破壞模式、結(jié)構(gòu)受力破壞的薄弱點以及結(jié)構(gòu)的安全性能。

圖1 鋼管輸電塔K節(jié)點示意圖

1 試驗概況

試驗方案按照Q345的材料疲勞特性進行設(shè)計［3－4］。疲勞試驗在合肥工業(yè)大學結(jié)構(gòu)實驗室進行，試驗設(shè)備采用MTS液壓伺服系統(tǒng)。試驗分為靜載試驗、疲勞加載試驗、靜載破壞試驗3部分。靜力試驗是為了測試試件的極限承載力，疲勞加載試驗是本文的重點。

1.1 試件設(shè)計及試驗裝置

K節(jié)點試件為足尺模型，其構(gòu)造如圖2所示，材料均為Q345。

圖2 K節(jié)點試件設(shè)計

試驗中將節(jié)點豎直放置，加載圖示及試驗裝置如圖3所示。

圖3 加載圖示及試驗裝置

應(yīng)變片（花）布置如圖4所示。

圖4 K節(jié)點測點布置

1.2 加載制度

靜載階段施加荷載工況為主柱受拉、上支管受壓和下支管受拉。采用逐級加、卸載，加載級別見表1所列。

表1 靜力加載方案

疲勞試驗階段荷載工況為主柱受1 500kN拉力，上下支管分別受如圖5所示正弦波荷載。對于循環(huán)荷載工況，其頻率模擬風荷載的主要卓越頻率，取1Hz［5－6］。循環(huán)荷載的控制方法為應(yīng)力等幅勻速控制。此處假定載荷－應(yīng)力特性為線性的，載荷波形為正弦［7］。

圖5 正弦波荷載

1.3 試驗過程

現(xiàn)場安裝好K節(jié)點，在預定位置粘貼應(yīng)變片（花），布置位移計。在疲勞試驗開始前做靜力加載試驗，重復做2次后開始疲勞加載，加載至5萬次時停機檢查，檢查后進行靜力加載試驗。繼續(xù)疲勞加載，加載過程測試指定位置的動態(tài)位移和動態(tài)應(yīng)變。疲勞加載至35萬次后停機，在做完一次靜力加載試驗后拆卸螺栓檢查螺栓、焊縫以及連接板磨損情況，并重新裝好再做一次靜力加載試驗。疲勞加載至50萬次后不再進行疲勞加載，進行靜力破壞試驗，加載至構(gòu)件破壞。

1.4 荷載值的確定

為了確定結(jié)構(gòu)在等效靜力風荷載作用下的效應(yīng)，按（1）式計算輸電塔塔身所承受的等效靜力風荷載，將風荷載作用到節(jié)點上對結(jié)構(gòu)進行靜力分析，得到輸電塔結(jié)構(gòu)塔身主桿的內(nèi)力［8］。WK＝βZμSμZW0（1）其中，WK為風荷載標準值；βZ為桿塔風荷載調(diào)整系數(shù)，對桿塔本身，當全高超過60m時，應(yīng)按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用由下到上逐段增大的數(shù)值，但其加權(quán)平均值對自立式鐵塔不應(yīng)小于1.6，對單柱拉線桿不應(yīng)小于1.8；μS為構(gòu)件的體型系數(shù)；μZ為風壓高度變化系數(shù)，一般按地面粗糙度B類計算；W0為基本風壓，W0＝v2／1 600，v為基準高度的風速。

［9］中對鐵塔的規(guī)定，利用整體桁架法計算得到風荷載作用時桿件內(nèi)力如圖6所示。

圖6 內(nèi)力計算結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

2.1 靜載應(yīng)變

在疲勞試驗間歇，為了監(jiān)測各測點應(yīng)力變化，停機進行靜載應(yīng)變測量，以便通過測點應(yīng)變變化，及早發(fā)現(xiàn)開裂或其他異常情況。測點荷載－應(yīng)力變化曲線如圖7所示。

圖7 測點荷載－應(yīng)力變化曲線

從圖7可以看出，測點應(yīng)力在每次靜載試驗時呈線性變化，每次靜載試驗的應(yīng)力數(shù)值差別不大，表明在疲勞荷載循環(huán)加載35萬次過程中，鋼管塔K節(jié)點U形插板連接構(gòu)造未發(fā)生明顯的應(yīng)力重分布，說明構(gòu)件處于安全狀態(tài)［10］。

2.2 疲勞加載動應(yīng)變

在試驗進行過程中，選取了4個點作為動應(yīng)變觀測點。測點的實測動應(yīng)力波形曲線如圖8所示。從圖8可以看出，測點的動應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)變化不大，動應(yīng)力波形曲線比較光滑，說明測點在疲勞加載過程中受力無異常。

每次停機靜載試驗，檢查試件未發(fā)現(xiàn)裂紋，在設(shè)計荷載作用下，50萬次疲勞加載過程中也未發(fā)現(xiàn)試件有異常現(xiàn)象。

圖8 測點動荷載－應(yīng)力變化曲線

3 結(jié) 論

疲勞荷載循環(huán)后各測點的應(yīng)力大部分和循環(huán)前的應(yīng)力差別很小，說明結(jié)構(gòu)在疲勞加載后應(yīng)力重分布現(xiàn)象不明顯，實測應(yīng)力與荷載也大致呈線性關(guān)系。試驗進行至17萬次時，連接板與插板連接處發(fā)出金屬撞擊聲，停機檢查并根據(jù)文獻［11］對螺栓施加大小為15 0N·m的扭力，后續(xù)試驗過程中連接件間未出現(xiàn)縫隙或相對滑移。這表明選用適當?shù)念A緊力對螺栓連接的可靠性以及連接件的疲勞強度是有利的。疲勞試驗表明，鋼管輸電塔K節(jié)點U形插板連接結(jié)構(gòu)的疲勞強度符合設(shè)計要求。

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