架空輸電線路角鋼塔單雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

崔順心

益陽電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司 湖南益陽 413000

近些年來電力行業(yè)有了較為顯著的突破和發(fā)展，特別是我國的特高壓輸電方面，輸電鐵塔無論是空間尺寸還是荷載水平都在不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致大規(guī)模角鋼也不能很好的適應(yīng)鐵塔塔身主材所產(chǎn)生的受力，因此常常需要設(shè)計(jì)一定的單雙角鋼連接節(jié)點(diǎn)，在單肢角鋼下端運(yùn)用雙拼角鋼主材。通常在鐵塔內(nèi)，單雙角鋼過渡節(jié)點(diǎn)發(fā)揮著不可忽視的效能，是受力的關(guān)鍵，會對鐵塔整體結(jié)構(gòu)的變形特性和受力特性產(chǎn)生直接影響，關(guān)系到鐵塔穩(wěn)定性[1]。

1 單雙角鋼節(jié)點(diǎn)板受力分析

1.1 水平節(jié)點(diǎn)板寬度設(shè)計(jì)

在確定水平節(jié)點(diǎn)板寬度時(shí)可讓其和過渡節(jié)點(diǎn)上所設(shè)計(jì)的十字靴板同寬。通常而言，主材角鋼肢的寬度、水平構(gòu)件與斜向的連接角度與連接長度、靴板的厚度均會對過渡節(jié)點(diǎn)十字靴板的寬產(chǎn)生一定程度地影響。為此在設(shè)計(jì)的過程中，十字靴板的輸入條件是節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造要求以及各向桿件的內(nèi)力要求，必須要加以重視。依據(jù)有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行桿件連接長度的核算，參照桿件和縱向節(jié)點(diǎn)板搭接核算狀況，即首先核算縱向節(jié)點(diǎn)板的寬，之后聯(lián)系螺栓的具體數(shù)目和構(gòu)造的間隔距離核算搭接的具體長度。為此，對靴板厚度進(jìn)行嘉假定，其取值范圍為tm+2mm，tn,其中，tm表示為最大斜材肢厚，tn表示主材肢厚，連接節(jié)點(diǎn)水平節(jié)點(diǎn)板塊的實(shí)際設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 水平節(jié)點(diǎn)板寬設(shè)計(jì)流程

1.2 水平節(jié)點(diǎn)板厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件原則，當(dāng)拉力形成一定負(fù)載時(shí)，過渡節(jié)點(diǎn)被毀應(yīng)當(dāng)在強(qiáng)度較小而且所受力量比較集聚的主材上出現(xiàn)，一般而言，下端雙角鋼強(qiáng)度要比上端單角鋼截面強(qiáng)度大，為此在單角鋼主材的地方會出現(xiàn)毀壞問題。為此，在單角鋼主材受力的情況下，可把水平節(jié)點(diǎn)板與十字靴板當(dāng)做制約界限。在不考慮加勁板所產(chǎn)生的影響，以下十字靴板為基礎(chǔ)來劃分水平節(jié)點(diǎn)板，共分成四個(gè)區(qū)域，在各個(gè)具體的區(qū)域，皆能夠視為直角邊支承、剩下邊自主的承擔(dān)面外負(fù)載的區(qū)隔板。當(dāng)上端負(fù)荷從單角鋼處傳播二至，能夠把其視為十字靴板水平截面的負(fù)荷分散情況。在該截面中沒有通過A部分區(qū)域，因此可以認(rèn)為該區(qū)域沒有荷載直接產(chǎn)生作用，面外荷載為零。

根據(jù)過渡節(jié)點(diǎn)受力的原理來進(jìn)行分析，利用螺栓群的功能，拉力自單角鋼處開始向外散發(fā)。通過彎曲強(qiáng)度對橫向節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行管控，此是單雙角過渡節(jié)點(diǎn)的主要樞紐，同時(shí)也是把負(fù)荷自上端傳輸至下端的構(gòu)件。在連接節(jié)點(diǎn)傳輸負(fù)荷的過程中，由于上部和下部靴板形心會發(fā)生一定的偏移，因此水平連接板會產(chǎn)生一定的彎曲應(yīng)力，在本文中將彎曲應(yīng)力作為控制因素來對水平連接板厚度進(jìn)行計(jì)算?；趹?yīng)力擴(kuò)散傳輸原理，在靴板由橫向節(jié)點(diǎn)板傳輸過程中，應(yīng)力并非順著靴板寬勻稱分散。在靴板的地方進(jìn)行傳輸時(shí)，應(yīng)力先自螺栓孔兩端向外擴(kuò)散，之后再朝著橫向節(jié)點(diǎn)板方向分散。在擴(kuò)散期間最好將角度確定為30度。為此應(yīng)力在這個(gè)擴(kuò)散長度中呈現(xiàn)為集聚態(tài)勢，為此應(yīng)力數(shù)值較高，而超出該范圍后靴板傳力變?nèi)酰瑧?yīng)力分散，因此應(yīng)力值也變小。在靴板的上下交匯處，靴板豎向連續(xù)，因此會有較為明顯的應(yīng)力集中。同時(shí)該部位也是應(yīng)力控制截面，在設(shè)計(jì)中，首先要架設(shè)該部應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)屈服應(yīng)力。根據(jù)上述內(nèi)容，對靴板應(yīng)力擴(kuò)散范圍進(jìn)行分析計(jì)算。先是把強(qiáng)化長度界定成L。依據(jù)分布的差異，在改長度內(nèi)適當(dāng)強(qiáng)化考慮，計(jì)算式為：

式中h1代表的是主材角鋼螺栓的具體高度，q0代表的是靴板布線負(fù)載，q代表的是強(qiáng)化范疇內(nèi)布線負(fù)載，f代表設(shè)計(jì)的力度，F(xiàn)代表的是單角鋼拉力設(shè)定數(shù)值，B代表中間節(jié)點(diǎn)板的具體寬度尺寸，t1、t2代表上靴板和下靴板的具體厚度尺寸。

在D區(qū)域板中，可以看做是一個(gè)能夠成熟矩形分布局部荷載的板，其直角邊發(fā)揮支撐功能，剩余邊處于自由形態(tài)，在切角位置所受力量有限，能夠節(jié)省用料，對板厚所產(chǎn)生的影響特別小。在圖3的狀況下，若板邊長產(chǎn)生變動，條狀分布負(fù)荷并不會表現(xiàn)為二維的變動，僅是在長度方面出現(xiàn)變動，為此支撐邊彎矩和L間呈現(xiàn)為線形關(guān)系。為了使得量綱能夠匹配，要將均布荷載轉(zhuǎn)換為線荷載，根據(jù)以下公式來計(jì)算水平節(jié)點(diǎn)板厚以及彎曲應(yīng)力：

式中M代表的是支承邊的線彎矩的具體數(shù)值，α代表的是內(nèi)力系數(shù)，依據(jù)有關(guān)信息可以得知，L代表的是靴板應(yīng)力傳輸距離，q代表的是強(qiáng)化長度內(nèi)布線負(fù)荷。

關(guān)于α系數(shù)的數(shù)據(jù)的確定依托仿真模擬構(gòu)建相對應(yīng)的差值區(qū)間，需要確保在過渡節(jié)點(diǎn)的地方單角鋼與雙腳鋼的中心線處于相同位置，為此上十字靴板與下十字靴板間所錯開的距離，即條狀負(fù)荷和支承邊距離處在恰當(dāng)范疇，為此可采用查表差值的方式對α系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行明確。依據(jù)(2)式能夠得到α的等式為：

構(gòu)建相應(yīng)的臨邊支承板模型，確定條狀負(fù)載距離Y至邊長的間距是（0.08 ～ 0.2）b。

將條狀負(fù)載施加到板的各個(gè)加載處，然后核算支承邊所受的具體力量情況。可將荷載的數(shù)確定為100MPa，寬度20mm，可將等效均布線負(fù)荷確定為2000N/mm，L=500mm，t=50mm。

同時(shí)可以看出，支承邊界的最大應(yīng)力與線荷載距離之間具有現(xiàn)象關(guān)系，因此固定好上部靴板尾椎后，最大應(yīng)力與強(qiáng)化長度L成正比，因此（2）式合理。

2 理論計(jì)算與有限元驗(yàn)證

2.1 節(jié)點(diǎn)模型

在某輸電鐵塔過渡節(jié)點(diǎn)角鋼主材距離來說，雙角鋼截面2∟250×24H，單角鋼截面為∟280×35。本文注重研究水平節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)，根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件原則，因此下十字靴板厚度取為24mm，上十字靴板厚度為36mm。假設(shè)焊縫和羅山具有足夠的連接強(qiáng)度，同時(shí)忽略連接破壞。

2.2 理論計(jì)算

以螺栓布置情況為基礎(chǔ)，單角鋼螺栓高度h1=540mm，因此L=624mm。B、D區(qū)具有390mm的強(qiáng)化長度。在計(jì)算中假設(shè)塔腳板厚度不小于35mm，取f=265MPa，支承邊與荷載中心之間的距離為78mm。在B、D區(qū)隔板長度為590mm，間隔距離比為0.132，查表可知α=0.1098。依據(jù)上述數(shù)值，各軸拉負(fù)荷核算的橫向節(jié)點(diǎn)板厚度數(shù)值見表2。

表2 不同拉力作用下水平節(jié)點(diǎn)板板厚算式計(jì)算值

2.3 有限元驗(yàn)證

運(yùn)用ABAQUS構(gòu)建有限元的框架模型，節(jié)點(diǎn)板的規(guī)格與靴板的規(guī)格。單雙角鋼節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立方法和分析方法為：

（1）運(yùn)用S4R模型單元，即對剪切效應(yīng)的四節(jié)點(diǎn)二次單元進(jìn)行綜合考量，若有十分嚴(yán)重的扭曲狀況，這個(gè)單元可防止剪切自鎖問題的產(chǎn)生。

（2）把鉸鏈制約設(shè)定在雙角鋼底端，節(jié)點(diǎn)模擬設(shè)定成靜定架構(gòu)。

（3）依照圖紙對靴板的螺栓孔與角鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用剛性傘域仿真方式。

（4）運(yùn)用靜力通用剖析方式，另外應(yīng)當(dāng)關(guān)注材料自身的特點(diǎn)與幾何非線性特點(diǎn)。

（5）應(yīng)持續(xù)調(diào)節(jié)橫向節(jié)點(diǎn)板的具體厚度，得出拉力負(fù)載各異狀況下出現(xiàn)塑性應(yīng)力之前橫向節(jié)點(diǎn)板的具體厚度，詳情見表3所示。

表3 不同拉力作用下水平節(jié)點(diǎn)板板厚有限元計(jì)算值

3 結(jié)語

本文根據(jù)過渡節(jié)點(diǎn)的受力原理，毀壞原理和有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定了節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)方式和計(jì)算方式?；诎鍤だ碚搶ⅵ料禂?shù)引到其中，同時(shí)深入考量十字靴板的制約功能和過渡節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集聚和所受力量不均勻的作用。