輸電鐵塔受拉構(gòu)件塊剪計(jì)算方法研究

車 達(dá)，韓大剛，楊 洋，蒲 凡，馬海云

（西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

螺栓連接是輸電線路中常用的結(jié)構(gòu)連接型式，鐵塔桿件通過螺栓相互連接傳力，其連接節(jié)點(diǎn)是輸電鐵塔的關(guān)鍵部位。近年來我國輸電線路工程增多，螺栓連接處的性能研究得到了廣泛關(guān)注［1-2］。在螺栓連接情況下，塊剪破壞是最常見的失效形式之一。國內(nèi)外學(xué)者對加固板、連接梁等主要節(jié)點(diǎn)的塊剪進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究［3-5］，Kulak等人對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)［5］。Teh等人試驗(yàn)了雙排螺栓連接下連接梁塊剪情況，給出擬合公式［6］，并利用有限元仿真出單排螺栓連接下連接梁的塊剪破壞模式，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)［7］。

美歐鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中均對塊剪做出相應(yīng)規(guī)定：當(dāng)被連接的角鋼肢翼上的螺栓圖形中心線超出了角鋼形心線時(shí)，須對構(gòu)件的塊剪進(jìn)行校驗(yàn)［8-9］。DL／T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》 增加了塊剪驗(yàn)算［10］。

規(guī)范中對單排螺栓塊剪的破壞模式計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異；而雙排螺栓連接作為鐵塔連接常見的情況，在我國規(guī)范中并未給出其塊剪的破壞模式和計(jì)算公式。

根據(jù)輸電線路工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合以往加固板、連接梁等主要節(jié)點(diǎn)的塊剪試驗(yàn)和研究成果，將《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中受拉構(gòu)件塊剪計(jì)算方法應(yīng)用于輸電鐵塔，并鑒于工程中常使用雙排螺栓，提出雙排螺栓其塊剪破壞模式，并給出了計(jì)算公式。

1 單排螺栓連接的塊剪計(jì)算

DL／T 5154—2012的塊剪破壞示意如圖1所示。

圖1 受拉構(gòu)件塊剪示意

塊剪計(jì)算公式為

式中：N為可承受最大拉力；fv和f分別為鋼材的抗剪與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Av為抗剪面；At為抗拉面；t為角鋼厚度；a、b、c分別為扣除螺栓孔后的螺栓端距、螺栓間距和螺栓邊距。

該計(jì)算方法與加固板和連接梁塊剪試驗(yàn)現(xiàn)象［5-6］存在一定差異，圖1中II段破壞面在實(shí)際情況下與水平方向存在一定夾角，如圖2所示。

圖2 受拉構(gòu)件塊剪示意

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定連接節(jié)點(diǎn)處板件的強(qiáng)度計(jì)算公式根據(jù)角鋼桿件桁架節(jié)點(diǎn)板的試驗(yàn)研究擬合而來［3］。具體計(jì)算公式為

鋼規(guī)的塊剪計(jì)算公式為

可 見 ，DL／T 5154—2012 和 GB 50017—2013的塊剪計(jì)算公式差異為抗拉折減系數(shù)B。

1.1 不考慮螺栓孔的影響

當(dāng)不考慮螺栓孔的情況下，即圖2中d為0時(shí)，折減系數(shù)B為

1.2 考慮螺栓孔的影響

實(shí)際的輸電鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，須考慮螺栓孔對塊剪計(jì)算的影響，折減系數(shù)B的計(jì)算方法為

式中，當(dāng)L／d確定時(shí)，則存在相應(yīng)的α角度，使系數(shù)B為最小值。目前輸電線路工程中，常用角鋼規(guī)格對應(yīng)的螺栓布置方式和應(yīng)用規(guī)格如表1所示。

表1 螺栓布置和規(guī)格

其中L40～L110采用單排螺栓連接，當(dāng)螺栓為標(biāo)準(zhǔn)布置時(shí)［11］，Bmin如表 2 所示。

表2 單排螺栓連接下最小折減系數(shù)

根據(jù)表2，單排螺栓連接下抗拉折減系數(shù)Bmin取值范圍為0.97～1.00。當(dāng)折減系數(shù)B為最小值時(shí)，可承受拉力最小。Bmin對應(yīng)的抗拉段危險(xiǎn)截面與拉力軸線的夾角α 取值范圍為 64°～77°或 103°～116°。

為驗(yàn)證理論分析的合理性，采用有限元分析工具，以角鋼為例驗(yàn)證分析。構(gòu)件采用兩顆螺栓單排連接，鋼材料設(shè)置考慮塑性硬化及塑性變形。三維實(shí)體計(jì)算單元采用ABAQUS單元庫中4節(jié)點(diǎn)四面體單元（C3D4）。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 塊剪有限元仿真結(jié)果

應(yīng)力主要集中于夾角α為65°和110°左右兩處區(qū)域內(nèi)，破壞模式同理論分析基本一致。

綜上，鐵塔設(shè)計(jì)規(guī)范中單排螺栓連接下塊剪破壞模式與實(shí)際存在一定差異，計(jì)算結(jié)果偏大，推薦單排螺栓情況下塊剪計(jì)算公式為

式中：n為螺栓數(shù)；B折減系數(shù)推薦取值為0.97。

2 雙排螺栓連接的塊剪計(jì)算

角鋼構(gòu)件肢寬大于125 mm，雙排螺栓連接是最為常見情況，但DL／T 5154—2012未明確給出其的塊剪破壞模式和計(jì)算方法。根據(jù)以上理論對雙排螺栓連接的塊剪破壞模式和計(jì)算方法進(jìn)行研究。

2.1 螺栓數(shù)目為偶數(shù)

根據(jù)加固板和連接梁塊剪試驗(yàn)現(xiàn)象［5-6］，雙排螺栓（偶數(shù)）連接下角鋼可能的破壞模式有兩種，如圖4所示。

根據(jù)式（2）和式（8），圖 4（a）沿螺栓連線破壞和圖4（b）不沿螺栓連線破壞兩種破壞模式可承受最大拉力N1和N2計(jì)算公式分別為：

圖4 雙排螺栓（偶數(shù)）塊剪示意

2.1.1 折減系數(shù)的確定

根據(jù)式（8），雙排螺栓（偶數(shù)）連接情況下，At段的折減系數(shù)B僅與L1／d有關(guān)。角鋼肢寬L125～L300范圍內(nèi)，雙排螺栓連接時(shí)，當(dāng)肢寬＜160 mm時(shí)，選用M20螺栓，肢寬≥160 mm時(shí)，選用M24螺栓。當(dāng)螺栓為標(biāo)準(zhǔn)布置時(shí)［11］，雙排螺栓（偶數(shù)）連接情況下折減系數(shù)Bmin如表3所示。

表3 雙排螺栓（偶數(shù)）情況下最小折減系數(shù)

由表3可知，雙排螺栓（偶數(shù)）連接下，最小折減系數(shù)Bmin取值范圍為0.96～0.98。Bmin對應(yīng)的抗拉段危險(xiǎn)截面與拉力軸線的夾角取值范圍為63°～67°或113°～116°。

2.1.2 破壞模式的確定

根據(jù)式（10）和式（11），圖 4（a）沿螺栓連線破壞模式允許最大拉力N1與圖4（b）不沿螺栓連線破壞模式N2的差值為

當(dāng)螺栓為標(biāo)準(zhǔn)布置時(shí)［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表4所示。

表4 雙排螺栓（偶數(shù)）情況下沿螺栓與不沿螺栓破壞模式最大拉力差

根據(jù)表 4，因?yàn)?tf＞0，所以 L125～L300范圍內(nèi)，N2-N1＞0。圖 4（b）不沿螺栓連線破壞模式可承受最大拉力大于圖4（a）沿螺栓連線破壞模式。雙排螺栓（偶數(shù)）情況下，塊剪破壞模式為圖4（a）沿螺栓連線破壞模式。

2.1.3 有限元仿真

角鋼構(gòu)件規(guī)格為L280×20，采用四顆螺栓雙排連接，仿真結(jié)果如圖5所示。

應(yīng)力集中區(qū)域除位于第一排和第二排最內(nèi)側(cè)螺栓連線方向外，第二排螺栓與肢端間應(yīng)力主要集中于夾角α為65°左右區(qū)域內(nèi)，破壞模式同理論分析基本一致。

2.2 螺栓數(shù)目為奇數(shù)

根據(jù)加固板和連接梁塊剪試驗(yàn)現(xiàn)象［5-6］，雙排螺栓（奇數(shù)）連接下角鋼可能的破壞模式主要有兩種，如圖6所示。

圖5 雙排螺栓（偶數(shù)）塊剪有限元仿真結(jié)果

圖6 雙排螺栓（奇數(shù)）情況下塊剪示意

根據(jù)式（2）和式（8），圖 6（a）沿螺栓連線破壞、圖6（b）不沿螺栓連線破壞兩種破壞模式可承受最大拉力 N1、N2計(jì)算公式為：

2.2.1 折減系數(shù)的確定

圖6（a）沿螺栓連線破壞模式下折減系數(shù)B1僅與L1／d 相關(guān)，最小折減系數(shù) B1min取值范圍為 0.96～0.98。

圖6（b）不沿螺栓連線破壞模式下折減系數(shù)B2僅與 Ld／d 有關(guān)。 當(dāng)螺栓為標(biāo)準(zhǔn)布置時(shí)［11］，根據(jù)式（8），雙排螺栓連接情況下最小折減系數(shù)B2min如表5所示，B2min取值范圍為 0.95～0.96。

表5 雙排螺栓（奇數(shù)）連接下最小折減系數(shù)

2.2.2 破壞模式的確定

根據(jù)公式 13、公式14，圖6（a）沿螺栓連線破壞模式與圖6（b）不沿螺栓連線破壞模式可承受最大拉力的差值為

當(dāng)螺栓為標(biāo)準(zhǔn)布置時(shí)［11］，可承受最大拉力的差值N2-N1如表6所示。

根據(jù)表 6，N2-N1＞0，所以圖 6（b）可承受最大拉力大于圖6（a）可承受最大拉力。雙排螺栓（奇數(shù)）連接情況下，塊剪的破壞模式為圖6（a）沿螺栓連線破壞模式。

2.2.3 有限元仿真

角鋼構(gòu)件規(guī)格為L280×20，采用5顆螺栓雙排連接，仿真結(jié)果如圖7所示。

應(yīng)力集中區(qū)域除位于第1排和第2排最內(nèi)側(cè)螺栓連線方向外，第2排螺栓與肢端間應(yīng)力主要集中于夾角α約65°和115°區(qū)域內(nèi)，破壞模式同理論分析基本一致。

表6 雙排螺栓（奇數(shù)）情況下沿螺栓與不沿螺栓破壞模式最大拉力差 kN

圖7 雙排螺栓（奇數(shù)）塊剪有限元仿真結(jié)果

2.3 雙排螺栓塊剪計(jì)算

雙排螺栓情況下，塊剪的破壞模式為沿螺栓連線破壞，見圖 4（a）和圖 6（a），計(jì)算公式可歸納為：

當(dāng)螺栓數(shù)為偶數(shù)時(shí)

當(dāng)螺栓數(shù)為奇數(shù)時(shí)

式中：n為螺栓數(shù)；B折減系數(shù)推薦取值為0.96。

3 結(jié)論

根據(jù)輸電線路工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合以往加固板、連接梁等主要節(jié)點(diǎn)的塊剪試驗(yàn)和研究成果，對鐵塔角鋼構(gòu)件塊剪破壞進(jìn)行了研究。

通過對比分析，將GB 50017—2013中受拉構(gòu)件塊剪計(jì)算方法應(yīng)用于輸電鐵塔，并通過仿真驗(yàn)證該方法更貼近于實(shí)際工程。

單排螺栓連接下塊剪的計(jì)算公式為：

式中：n為螺栓數(shù)；B折減系數(shù)推薦取值為0.97。

雙排螺栓連接下塊剪的計(jì)算公式為：

當(dāng)螺栓數(shù)為偶數(shù)時(shí)

當(dāng)螺栓數(shù)為奇數(shù)時(shí)

式中：n為螺栓數(shù)；B折減系數(shù)推薦取值為0.96。

通過對角鋼構(gòu)件塊剪的研究，修正和完善了輸電鐵塔塊剪計(jì)算方法，對進(jìn)一步提升輸電線路工程鐵塔的安全性具有指導(dǎo)意義。