輸電線路鐵塔曲臂T節(jié)點的增強(qiáng)方法及受力特性

屠 健, 張大長

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京, 211816)

輸電線路的安全穩(wěn)定受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注．張卓群等[1]探討了輸電線路的災(zāi)害形式及成因, 并從結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值分析和試驗驗證三個方面總結(jié)分析了塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加固措施; 鄭敏等[2]基于失效模式對鐵塔進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)在完整失效路徑上存在關(guān)鍵的破壞桿件,對關(guān)鍵桿件進(jìn)行優(yōu)化可有效提高結(jié)構(gòu)的承載力; 金樹[3]、張卓群[4]等基于蟻群優(yōu)化算法提出了輸電塔結(jié)構(gòu)離散變量優(yōu)化設(shè)計方法,該方法具有較好的實用性和通用性．在國際上,較多學(xué)者開展了輸電塔足尺模型試驗及數(shù)值模擬,研究覆冰荷載[5]、導(dǎo)線荷載[6-7]、地基不均勻沉降[8]、風(fēng)荷載[9-10]等作用下塔材強(qiáng)度、穩(wěn)定及破壞模式．Souza等[11]提出了一種優(yōu)化鐵塔尺寸、形狀的算法,研究表明該算法能使塔重減輕6.4%．本文提出了一種在橫梁與曲臂梁連接處設(shè)置斜撐的增強(qiáng)措施,并運(yùn)用有限元分析方法探討增強(qiáng)措施對結(jié)構(gòu)傳力路徑及變形特性的影響,為此類增強(qiáng)方法在輸電鐵塔結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐．

1 模型及參數(shù)

1.1 試驗裝置

為加強(qiáng)橫梁與曲臂梁的整體性,提高貓頭塔塔頭橫梁的剛度,本文在橫梁與曲臂梁連接處設(shè)計了一種角鋼斜撐的增強(qiáng)措施,并以某特高壓交流線路鐵塔曲臂T節(jié)點為原型, 設(shè)計曲臂T節(jié)點縮尺模型．為實現(xiàn)構(gòu)件長細(xì)比相似系數(shù)為1∶1, 取長度相似系數(shù)為1∶4,截面尺寸相似系數(shù)為1∶2, 模型其他相似參數(shù)通過量綱分析法確定,其中彈性模量和應(yīng)力的相似系數(shù)均取1∶1,荷載相似系數(shù)取1∶4．為了保證縮尺模型構(gòu)件的傳力路徑及端部約束與原型一致,模型采用螺栓和節(jié)點板結(jié)合的方式實現(xiàn)構(gòu)件的連接,其中連接螺栓采用6.8M16．試件水平擱置,在橫梁一側(cè)施加水平力,加載裝置如圖1所示．為模擬平面T節(jié)點在塔架結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài),在試件上方架設(shè)大角鋼,通過錨桿與地面錨固,節(jié)點板上下側(cè)墊放墊塊,約束住節(jié)點板的平面外位移,試驗過程中錨桿上的螺栓微微擰緊,并在接觸部分涂抹潤滑劑減小摩擦,確保平面桁架能夠側(cè)向自由移動．

1.2 加載方案

考慮到輸電塔結(jié)構(gòu)一般在彈性階段工作,因此分別對有無設(shè)置斜撐的平面T節(jié)點模型展開彈性范圍內(nèi)的靜力加載測試, 將主要受力斜材利用率達(dá)到約90%時的載荷作為試驗加載值,對未設(shè)置斜撐和設(shè)置斜撐節(jié)點的試驗加載值分別取為150, 220 kN, 采用分級加載,每級施加12 kN,穩(wěn)定1 min后記錄測點數(shù)據(jù)．

1.3 測點布置

為了掌握載荷作用下平面T節(jié)點的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律和變形特點, 在主材、斜材的肢尖處布置應(yīng)變片, 應(yīng)變片采用中航應(yīng)變片BE120-5AA,最大有效應(yīng)變均為3%,并在橫梁和曲臂等關(guān)鍵位置處設(shè)置6個LTM系列直線位移傳感器, 行程0～200 mm．應(yīng)變片及位移傳感器的布置見圖1．

2 結(jié)果與分析

2.1 變形特性

圖2為增強(qiáng)前后平面T節(jié)點加載端的荷載-位移曲線．從圖中可以看出, 荷載-位移曲線具有明顯的線性關(guān)系; 設(shè)置斜撐后, 荷載-位移曲線斜率增大了約1.67倍,說明結(jié)構(gòu)剛度得到了有效提高．

2.2 應(yīng)變發(fā)展特性

圖3是受力最大斜材的應(yīng)變發(fā)展曲線,斜材編號的具體位置見圖1．從圖3可以看出, 無斜撐的節(jié)點在施加至指定載荷時,斜材108和109應(yīng)變發(fā)展較為迅速,其中斜材109肢尖處應(yīng)變約為2×10-3, 而斜材104和105應(yīng)變發(fā)展較緩慢, 應(yīng)變小于1×10-3;而帶斜撐的節(jié)點在施加至指定載荷時, 斜材104～106應(yīng)變發(fā)展較為迅速,其中斜材104肢尖處應(yīng)變達(dá)2×10-3,而斜材108應(yīng)變發(fā)展較緩慢,應(yīng)變小于6×10-4．此外,無斜撐結(jié)構(gòu)的斜材108和109與有斜撐結(jié)構(gòu)的斜材105和106應(yīng)變發(fā)展比其他斜材快,且受壓斜材構(gòu)件端部單肢偏心連接處產(chǎn)生的彎矩明顯地將受壓構(gòu)件截面分為受壓區(qū)和受拉區(qū)．從斜材交叉位置的應(yīng)變發(fā)展可以看出,受壓斜材上側(cè)肢受拉,受拉斜材下側(cè)肢受壓,表明在載荷作用下,交叉材朝地面反方向發(fā)生面外變形．同時,斜撐角鋼的應(yīng)變發(fā)展較快,且斜撐的存在能夠有效分擔(dān)斜材108和109的受力．

3 有限元分析

3.1 有限元模型

由于縮尺模型不可避免地產(chǎn)生縮尺效應(yīng),無法全面反映結(jié)構(gòu)原有的力學(xué)特性,因此,利用ANSYS建立與原型尺寸一致的空間有限元模型．模型格構(gòu)式曲臂兩端采用鉸接約束,橫梁加載端鉸接并釋放加載方向的平動約束,加載端采用位移加載模式;角鋼斜材及主材均采用梁單元BEAM188模擬;考慮到螺栓滑移量比較小,對結(jié)構(gòu)承載力的影響較小,為了提高計算效率,模型忽略節(jié)點板及螺栓,有限元模型如圖4所示．有限元分析考慮了幾何非線性和材料非線性．鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用三折線等向強(qiáng)化模型[12],并應(yīng)用von-Mises屈服準(zhǔn)則,材料強(qiáng)度采用材性試驗值,如表1所示．彈性模量取200 GPa,切線模型取20 GPa,泊松比取0.3．

表1 材性試驗結(jié)果

注: 材料試件尺寸應(yīng)符合規(guī)范[13], 試件編號Q345-x表示厚為xmm的Q345板件

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 荷載-位移曲線

圖5為模擬得到空間塔架節(jié)點的荷載-位移曲線．結(jié)果顯示,設(shè)置斜撐后,結(jié)構(gòu)的承載力及剛度都得到了較大的提高; 荷載-位移曲線沒有明顯的屈服段,破壞具有突然性, 實際工程設(shè)計中應(yīng)合理控制主要受力構(gòu)件的應(yīng)力利用率,保證構(gòu)件進(jìn)入塑性后有足夠的強(qiáng)度裕度．

表2給出了將有限元模擬結(jié)果與試驗值的對比結(jié)果,其中試驗?zāi)Ｐ偷某休d力取實際試驗荷載施加值,有限元模型承載力值為極限承載力．可以看出,由于有限元模型忽略螺栓建模,有限元模擬得到的剛度值明顯較試驗值大;空間節(jié)點極限承載能力是平面縮尺模型的8倍,其剛度是平面縮尺模型的2倍,這與設(shè)計的縮尺比例相符,說明平面縮尺模型能較為準(zhǔn)確地反映原型空間節(jié)點的承載力特性;設(shè)置斜撐后,結(jié)構(gòu)剛度得到了較大程度的提高,與無斜撐結(jié)構(gòu)剛度相比提升了近1.5倍．

表2 結(jié)構(gòu)剛度

3.2.2 應(yīng)力云圖

圖6給出了極限荷載作用下空間曲臂節(jié)點的von-Mises應(yīng)力云圖．從圖6可以看出, 未設(shè)置斜撐的結(jié)構(gòu)中主材及曲臂梁上的斜材應(yīng)力較小,而靠近格構(gòu)式曲臂的第3副斜材108和109的應(yīng)力最大; 設(shè)置斜撐的結(jié)構(gòu)中,遠(yuǎn)離曲臂梁靠近斜撐一側(cè)的第2副斜材105和106應(yīng)力發(fā)展最快,并發(fā)生屈服,而第3副斜材的應(yīng)力明顯變?。?/p>

從試驗和有限元結(jié)果可以看出,設(shè)置斜撐之后,結(jié)構(gòu)傳力路徑發(fā)生改變,對于無斜撐結(jié)構(gòu),靠近曲臂梁一側(cè)的交叉材為薄弱部位,在荷載作用下,此處交叉材發(fā)生平面外失穩(wěn);設(shè)置斜撐后,靠近曲臂梁處的交叉材受力減小,而遠(yuǎn)離曲臂梁靠近斜撐一側(cè)的交叉材受力增大,成為薄弱部位,在荷載作用下,此處交叉材易發(fā)生平面外失穩(wěn)致使結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu);橫梁上的部分載荷通過斜撐有效地傳遞至曲臂梁主材處,提高了結(jié)構(gòu)的承載能力．

4 結(jié)論

1) 設(shè)置斜撐對結(jié)構(gòu)的傳力路徑及受力特性有較大的影響．在荷載作用下, 對于無斜撐的結(jié)構(gòu),靠近曲臂梁一側(cè)的交叉材應(yīng)變發(fā)展較為迅速;設(shè)置斜撐后,靠近曲臂梁一側(cè)的交叉材應(yīng)變發(fā)展明顯變緩慢,而遠(yuǎn)離曲臂梁靠近斜撐一側(cè)的交叉材應(yīng)變發(fā)展明顯加快.

2) 設(shè)置斜撐后, 橫梁與曲臂的完整性得到了提高,橫梁上的載荷通過斜撐傳遞至曲臂,結(jié)構(gòu)剛度提高了約1.5倍．

3) 此類塔架結(jié)構(gòu)的破壞具有突然性,在實際工程設(shè)計中,應(yīng)合理控制主要傳力構(gòu)件的應(yīng)力利用率,保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度裕度.