輸電塔T型組合角鋼夾具型加固設(shè)計(jì)與仿真研究

董義義，吳海兵，曾二賢

（1.電力規(guī)劃總院有限公司，北京100011；2.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430013）

0 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，輸電線(xiàn)路已逐步從大規(guī)模新建邁入在役線(xiàn)路的維護(hù)和改造過(guò)渡階段，桿塔作為輸電線(xiàn)路的重要支撐結(jié)構(gòu)，在全壽命周期內(nèi)的安全健康狀況尤為重要。輸電桿塔處于露天環(huán)境中，桿塔結(jié)構(gòu)承受交變反復(fù)荷載作用，容易產(chǎn)生性能弱化或退化現(xiàn)象，進(jìn)而引起桿塔結(jié)構(gòu)體系的破壞，加劇倒塔事故。因此，隨著在役輸電線(xiàn)路維護(hù)和升級(jí)改造需求日益旺盛，桿塔加固技術(shù)研究成為輸電線(xiàn)路行業(yè)的一項(xiàng)重要課題。

在既有輸電線(xiàn)路改造工程中，往往需要對(duì)不能滿(mǎn)足使用要求的既有桿塔構(gòu)件進(jìn)行加固。目前，通常的加固方式多采用高空制孔或焊接工藝，該方式具有施工難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)原結(jié)構(gòu)擾動(dòng)大，安全性不可控等特點(diǎn)。因此，研究一種盡量不擾動(dòng)原構(gòu)件，且施工便利、操作性強(qiáng)的加固方案顯得緊迫且必要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固型式進(jìn)行了一定的研究和探索，也取得了一些有價(jià)值的成果［1-20］。Brown J H（1988）等［2］對(duì)原角鋼與新角鋼并聯(lián)形成十字組合截面進(jìn)行理論分析；周文濤（2009）等［7］試驗(yàn)研究了背靠背方式十字組合角鋼的加固效果；韓軍科（2010）等［9］針對(duì)一字板十字型截面加固前后構(gòu)件的承載力進(jìn)行了對(duì)比分析；Lu C等［10］針對(duì)采用節(jié)點(diǎn)板拼接加固的角鋼構(gòu)件進(jìn)行靜載試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬分析；沈之容（2016）［11］針對(duì)在負(fù)載條件下焊接補(bǔ)強(qiáng)角鋼加固方型、T 型、Z 型和十字型四種截面型式后的穩(wěn)定極限承載力進(jìn)行了研究?？梢?jiàn)，上述方案多采用焊接形式增大截面法的加固方式，不適用于輸電桿塔現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損加固的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。

螺栓連接和焊接加固的截面型式經(jīng)一定構(gòu)造轉(zhuǎn)換后，可通過(guò)夾具實(shí)現(xiàn)無(wú)損連接。KOMATSU（2009）等［6］提出了一種采用加強(qiáng)鋼板、抱箍夾具和高強(qiáng)螺栓對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固，如圖1所示；連繼業(yè)（2019）等［16］針對(duì)如圖2所示的夾具加固十字型截面穩(wěn)定承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究；張戩（2019）等［17］設(shè)計(jì)了一種通過(guò)V 形卡具連接T型截面的加固方式，如圖3所示。

圖1 KOMATSU夾具型截面[6]Fig.1 KOMATSU section clamp

圖2 夾具型十字型截面[16]Fig.2 Cross section clamp

綜上所述，現(xiàn)有夾具型加固方案主要針對(duì)主材設(shè)計(jì)，不適用于輸電桿塔斜材對(duì)加工和安裝的要求。本文結(jié)合輸電桿塔斜材的實(shí)際受力及構(gòu)造特點(diǎn)，提出了一種能同時(shí)適用于主材與斜材的新型夾具型加固方案。

圖3 夾具型T型截面[17]Fig.3 T-section clamp

1 加固方案設(shè)計(jì)

對(duì)輸電塔斜材，尤其是有輔助材支撐的交叉斜材，由于其總有一肢內(nèi)外兩面均有連接節(jié)點(diǎn)，要想實(shí)現(xiàn)近似全長(zhǎng)加固，只有T 型截面具備可實(shí)施性。結(jié)合輸電鐵塔的構(gòu)造特點(diǎn)可知，T 型截面對(duì)各個(gè)位置的單角鋼主、斜材均具有較好的適用性，是一種更為通用的加固截面型式。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了圖4-圖5 所示的新型T型截面夾具加固方案。該方案借鑒了傳統(tǒng)十字組合截面的加固型式，在原角鋼一肢上背貼一等規(guī)格補(bǔ)強(qiáng)角鋼。兩塊角鋼通過(guò)采用螺栓連接的兩個(gè)內(nèi)包鋼和一塊外貼板組成的夾具緊固相連。

圖4 T型截面夾具型加固方案安裝示意圖Fig.4 Installation diagram of T-section clamp reinforcement method

從原理上說(shuō)，該方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）適用范圍廣。加固僅要求原角鋼的一肢外表面供補(bǔ)強(qiáng)角鋼供貼合使用，輸電塔單角鋼構(gòu)件均可滿(mǎn)足。

2）應(yīng)用靈活。補(bǔ)強(qiáng)角鋼長(zhǎng)度可根據(jù)工程需求設(shè)計(jì)，具有靈活性。

3）連接可靠性高。連接夾具節(jié)點(diǎn)處連接剛度大，連接可靠。

圖5 T型截面夾具型加固方案截面示意圖Fig.5 Section diagram of T-section clamp reinforcement method

4）無(wú)損加固、施工便利。采用螺栓連接，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)制孔或焊接，對(duì)原角鋼無(wú)損傷。

2 加固方案有限元分析

針對(duì)上述新型T 型截面夾具型加固方案，本節(jié)使用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值仿真分析，研究分析了構(gòu)件的受力和變形特征，并通過(guò)對(duì)比構(gòu)件加固前后的穩(wěn)定系數(shù)重點(diǎn)考察了角鋼規(guī)格、長(zhǎng)細(xì)比、加固比例、夾具數(shù)量對(duì)加固效果的定量影響。

2.1 有限元模型與參數(shù)設(shè)置

2.1.1 模型概述

對(duì)圖4 所示的加固方案，采用3 維10 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元solid92 建立了如圖6 所示的實(shí)體有限元仿真模型。原角鋼與補(bǔ)強(qiáng)角鋼的接觸面采用標(biāo)準(zhǔn)（Standard）硬接觸，接觸單元采用conta174，目標(biāo)單元采用targe170，其它接觸面采用粘結(jié)形式。為模擬原角鋼的兩端鉸接約束和施加軸向壓力，采用多點(diǎn)約束（MPC）技術(shù)，在模型兩端各添加一個(gè)參考點(diǎn)，分別與原角鋼兩端截面耦合，約束和荷載均施加在參考點(diǎn)上。

圖6 加固方案的ANSYS模型Fig.6 ANSYS model of reinforcement method

計(jì)算模型的鋼材牌號(hào)采用Q345，材料本構(gòu)采用理想彈塑性模型，彈性模量E=206 GPa。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分，并利用智能尺寸控制技術(shù)（Smartsize）來(lái)控制網(wǎng)格的大小和疏密分布，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7 所示。計(jì)算時(shí)，原角鋼與補(bǔ)強(qiáng)角鋼的初始缺陷均考慮L/1 000 的初彎曲而忽略殘余應(yīng)力的影響。計(jì)算采用弧長(zhǎng)法，并設(shè)置荷載—位移曲線(xiàn)開(kāi)始下降時(shí)結(jié)束求解，此時(shí)的荷載峰值點(diǎn)即對(duì)應(yīng)構(gòu)件的極限承載力。

圖7 加固模型的網(wǎng)格劃分Fig.7 Mesh of reinforcement model

2.1.2 參數(shù)設(shè)置

本次數(shù)值仿真計(jì)算重點(diǎn)考察了如下因素對(duì)加固方案效果的影響：

1）角鋼規(guī)格：選取L70X5、L90X7、L110X8 三種角鋼規(guī)格。

2）構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比：選取80、120、160三種長(zhǎng)細(xì)比。

3）加固比例：即圖8（a）中補(bǔ)強(qiáng)角鋼長(zhǎng)度與原角鋼的長(zhǎng)度之比，選取0.5、0.7、0.9三種加固比例。

4）夾具數(shù)量：選取2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)三種夾具數(shù)量。

2.2 有限元模型結(jié)果

2.2.1 典型變形與應(yīng)力云圖

通過(guò)多種參數(shù)模型的計(jì)算，加固構(gòu)件的變形與應(yīng)力可總結(jié)為以下3種典型情況：

1）加固比例較小

圖8 展示了加固比例較小時(shí)構(gòu)件的典型變形（放大50 倍）及應(yīng)力云圖。從中可以看出，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，但非加固的區(qū)域彎曲更明顯，并伴有一定程度的扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力在構(gòu)件加固與非加固邊緣附近較大。

2）夾具數(shù)量不足

圖9 展示了夾具數(shù)量不足時(shí)構(gòu)件的典型變形（放大50 倍）及應(yīng)力云圖。從中可以看出，由于夾具數(shù)量不足，原構(gòu)件與補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件的協(xié)同變形受到影響，會(huì)在跨中附近發(fā)生一定的脫開(kāi)。整體來(lái)說(shuō)，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，應(yīng)力在構(gòu)件加固與非加固邊緣附近以及跨中處較大。

3）加固比例較大且?jiàn)A具數(shù)量足夠

圖10 展示了加固比例較大且?jiàn)A具數(shù)量足夠情況下構(gòu)件的典型變形（放大50 倍）及應(yīng)力云圖。從中可以看出，原構(gòu)件與補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件有較好的協(xié)同變形，變形以繞加固后截面的最小軸的彎曲為主，應(yīng)力在構(gòu)件加固與非加固邊緣附近以及跨中處較大。

圖8 加固比例較小時(shí)構(gòu)件的變形與應(yīng)力云圖Fig.8 Deformation and stress cloud diagram when the reinforcement ratio is small

圖9 夾具數(shù)量不足時(shí)構(gòu)件的變形與應(yīng)力云圖Fig.9 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is insufficient

圖10 夾具數(shù)量足夠時(shí)構(gòu)件的變形與應(yīng)力云圖Fig.10 Deformation and stress cloud diagram when the number of clamps is sufficient

2.2.2 加固效果

表1給出了構(gòu)件加固前后穩(wěn)定系數(shù)的ANASYS 分析結(jié)果，表中的φ 為穩(wěn)定系數(shù)，i 為構(gòu)件的截面最小軸回轉(zhuǎn)半徑，夾具間距為相鄰兩個(gè)夾具中心之間的距離。圖11 與圖12 將表1 中數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納整理。從有限元分析結(jié)果上看，可以得出以下結(jié)論。

表1 加固構(gòu)件ANASYS分析結(jié)果Table 1 ANASYS analysis results of reinforcement members

1）本方案對(duì)各類(lèi)規(guī)格角鋼的加固效果良好，分析模型中最差情況下加固后的構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)也增大了13.8%。

2）如圖11 所示，本方案適用于各類(lèi)規(guī)格角鋼，且加固效果與角鋼規(guī)格基本無(wú)關(guān)。

3）如圖11所示，本方案加固效果隨著長(zhǎng)細(xì)比與加固比例的增大而顯著增強(qiáng)。

圖11 不同規(guī)格及長(zhǎng)細(xì)比構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)后穩(wěn)定系數(shù)φ的分析結(jié)果Fig.11 Analysis results of stability coefficient φ of reinforced members in different specifications and slenderness ratio

4）如圖12 所示，本方案加固效果與夾具的間距（中心距）有關(guān)，在同樣的長(zhǎng)細(xì)比與加固比例下，夾具間距越小，加固效果越大。從模擬結(jié)果來(lái)看，當(dāng)夾具間距小于40i時(shí)，夾具能發(fā)揮很好的效果。

圖12 角鋼L70X5采用不同夾具數(shù)量穩(wěn)定系數(shù)φ的分析結(jié)果(加固比例0.9、長(zhǎng)細(xì)比120)Fig.12 The stability coefficient φ of angle L70X5 in different number of clamps(Reinforcement ratio 0.9,slenderness ratio 120)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種適用于架空輸電桿塔構(gòu)件無(wú)損加固的新技術(shù)方案，即采用新型夾具將補(bǔ)強(qiáng)角鋼和原角鋼緊固連接成T 型截面構(gòu)件。該方案應(yīng)用靈活、施工便利，可適用于輸電塔的各類(lèi)單角鋼構(gòu)件與輸電線(xiàn)路停電及非停電的多種維修加固場(chǎng)景。通過(guò)有限元分析得到如下主要結(jié)論：

1）加固效果良好，適用于各類(lèi)規(guī)格角鋼，且加固效果與角鋼規(guī)格無(wú)關(guān)；

2）加固效果隨構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比與加固長(zhǎng)度的增大而顯著增強(qiáng)；

3）夾具間距越小，加固效果越大。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和安全性，建議夾具間距不宜超過(guò)40倍原構(gòu)件最小軸回轉(zhuǎn)半徑。

另外，本研究主要采用數(shù)值仿真對(duì)架空輸電桿塔斜材無(wú)損加固技術(shù)進(jìn)行了分析和探討，建議后續(xù)可開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)研究和驗(yàn)證工作，為既有線(xiàn)路桿塔加固改造提供技術(shù)支撐。