國外某500 kV雙回路轉角塔導線掛板螺栓受力分析

徐明鳴，袁 星，孫銘澤，王磊磊，曹 展

(1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，長沙 410007；2.國網江蘇省電力工程咨詢有限公司，南京 210024)

近年在國家“一帶一路”政策背景下，中國工程企業(yè)積極推進工程咨詢業(yè)務國際化及“走出去”的戰(zhàn)略，境外工程總承包、設計及施工等業(yè)務逐漸增多。同時在工程建設過程中面臨諸多風險，尤其是非傳統(tǒng)安全風險，如工程實體的設計經驗或設計質量問題。本文以國外某500 kV雙回路轉角塔導線掛板螺栓斷裂為例，通過進行理論計算和有限元數值模擬分析，得出了掛板處螺栓受力規(guī)律及建議措施。

1 導線掛板螺栓斷裂狀況

國外某500 kV雙回路轉角塔由工程所在國設計公司設計，設計風速35 m/s，設計覆冰0 mm，導線截面積為468 mm2(四分裂)，地線截面積為168 mm2，允許轉角為0°～20°。鐵塔設置4層橫擔整體呈鼓型結構，鐵塔構件均采用角鋼，其材質采用S355JR(力學性能類似國內Q345材質)及S235JR(力學性能類似國內Q235材質)，螺栓采用8.8級M16 mm、M20 mm及M24 mm，結構計算及材料參數采用BSEN1993-1-8—2005《歐洲規(guī)范3鋼結構設計第1—8部分》。導線橫擔采用“尖嘴”的型式，兩主材角鋼尖端無焊接及側向螺栓連接，導線橫擔下平面的掛線處設置一塊掛線板連接下平面主材，單肢設置3顆8.8級M16 mm螺栓。

該塔實際轉角19.7°，架線作業(yè)前五相導線緊線完成且弧垂調整完畢，當右下相導線緊線時發(fā)生突然發(fā)生導線掛線板上6顆螺栓全部剪斷，導線掛線板脫落且橫擔主材嚴重彎曲變形的情況，脫落的導線掛線板完整無斷裂，其螺孔壁未有明顯變形。

2 設計分析

2.1 設計荷載條件

設計文件提供的導線安裝荷載具體為安裝導線時水平力荷載為64.590 kN，縱向力荷載為242.660 kN，垂直力荷載為239.200 kN。

2.2 理論計算分析

2.2.1 單螺栓承載力計算

根據EN 1993-1-8—2005《鋼結構設計 第1—8部分：節(jié)點設計》標準，1顆M16 mm且性能等級為8.8級螺栓抗拉強度為800 N/mm2，屈服強度為640 N/mm2，剪切強度為480 N/mm2。材料分項系數為1.25(考慮到材料性能的離散性)[1]，由于螺栓破壞位置不在螺紋處,螺栓毛截面積為201 mm2，根據公式[2](1)計算出螺栓的抗剪設計荷載值為77.18 kN。

(1)

式中：FV為螺栓抗剪承載力；γm2為材料分項系數，取1.25；αV為螺栓剪切與拉伸相關系數，取0.6；fub為螺栓抗拉強度；A為螺栓毛截面積。

2.2.2 螺栓群承載力計算

螺栓群分布見圖1。假定螺栓群形心位于圖1中O點，即XOY坐標系原點，縱向力通過形心，水平力相對形心存在偏心，各螺栓到形心的距離見表1，rx為各螺栓到形心的X方向距離，ry為各螺栓到形心的Y方向距離。

圖1 螺栓群分布

表1 螺栓群到形心距離 mm

在偏心矩作用下，根據螺栓受力大小與其到形心的距離成正比關系：

(2)

平衡條件：

(3)

(4)

(5)

在考慮縱向力和水平力共同作用下，橫擔導線掛板螺栓群受力見表2，Nx、Ny分別為螺栓X和Y方向剪切力。

表2 螺栓群受力結果 kN

根據螺栓群理論計算且考慮荷載偏心影響，可知4號螺栓綜合剪力最大為66.85 kN，未超過單顆螺栓的抗剪設計值77.18 kN。

2.3 有限元數值計算

2.3.1 原設計圖分析

采用Abaqus有限元數值分析導線掛板螺栓受力情況，按設計圖紙尺寸建立導線橫擔下平面主材、掛線板和螺栓的實體模型見圖2[3]，螺栓群標號見圖3。

圖2 有限元模型

圖3 螺栓位置標號

計算結果顯示，各螺栓受力不均勻程度較大，螺栓之間受力差異明顯，并非理論計算中的均勻受力狀態(tài)[4]，螺栓群Y、X方向剪應力柱狀圖見圖4、圖5。4號螺栓剪應力最大，其X方向與Y方向剪應力值分別為237.2 MPa、646.9 MPa， 3號螺栓剪應力最小，其X方向與Y方向剪應力值剪應力分別為37.9 MPa、181.2 MPa，3號螺栓對應方向剪應力分別為4號螺栓的6.26倍和3.57倍。

圖4 螺栓群Y方向剪應力柱狀圖

圖5 螺栓群X方向剪應力柱狀圖

圖6為螺栓群綜合剪應力柱狀圖。從圖6可以看出，掛導線側的3個螺栓(4號、5號、6號)較非掛線側的3個螺栓(1號、2號、3號)的應力值大，前者螺栓平均值綜合剪應力約為后者的1.38倍。其次螺栓從橫擔內到外，剪力呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，內側螺栓剪應力值約為外側螺栓的2.64倍。主要分析為橫向水平荷載使得掛線板產生偏心受力且形成彎矩作用在螺栓群中，彎矩產生的剪應力與縱向力產生的剪應力在內側螺栓1號、4號處同向疊加，而外側螺栓3號、6號處的這兩種應力部分抵消，從而導致內外側螺栓的受力不均勻性程度更大[5-6]。其中4號螺栓綜合剪應力最大，其值為648.6 MPa，已超過螺栓剪切應力允許值480 MPa和屈服應力允許值640 MPa，會發(fā)生破壞。該處螺栓不能按理論計算中均勻承受剪力來設計數量，原圖紙設計螺栓數量過少。

圖6 螺栓群綜合剪應力柱狀圖

2.3.2 臨界螺栓數量計算

考慮掛線板處螺栓群受力不均勻性，采用Abaqus有限元數值計算該塔導線掛線板的臨界螺栓個數。通過調整掛線板有限元模型螺栓數量，見圖7、圖8，當螺栓數量為10顆時，單個螺栓最大剪應力為476 MPa，此時處于設計承載安全范圍內。螺栓數量為8顆時，螺栓最大剪應力為552 MPa，此時超出螺栓剪切應力允許值，說明該塔至少需要10顆8.8級M16 mm螺栓才能保證其受力安全性。螺栓群數量與螺栓剪應力對應關系見表3，Y、X方向最大剪應力不是同時出現(xiàn)。

圖7 16顆螺栓群數值模型

圖8 10顆螺栓群數值模型

表3 螺栓群數量與螺栓剪應力對應關系 MPa

2.4 掛線板螺栓受力分析

結合國內鐵塔設計經驗及真型試驗情況可知[7]，橫擔采用“尖嘴”的形式，其結構體抗變形能力較差，易造成桿件變形及不均勻受力。掛板節(jié)點設置不合理，螺栓沿主材方向布置，兩條受力線之間成夾角，前后螺栓不能共同工作且橫擔實際受力存在偏心，容易產生應力集中后先破壞一部分螺栓，最終螺栓全部剪切破壞。

該塔導線掛線處僅靠一塊掛線板連接兩個下平面主材，主材尖端無焊接或側向螺栓連接。原設計未考慮此種結構布置形式產生的變形及額外應力，設計的6顆螺栓除了承載導線荷載、施工荷載外，還承擔著協(xié)調兩主材變形額外應力荷載。

3 結論及建議

a.按設計荷載分析，導線掛板螺栓存在明顯不均勻受力現(xiàn)象。4號螺栓綜合剪應力最大，其值為648.6 MPa，超過螺栓剪切應力允許值480 MPa和屈服應力允許值640 MPa，會發(fā)生破壞。該處螺栓不能按理論計算中均勻承受剪力來計算數量，圖紙設計6顆螺栓，數量過少，至少應增加至10顆8.8級M16 mm螺栓才能符合設計要求。

b.“尖嘴”橫擔形式整體抗變形能力較差，易造成橫擔主材不均勻變形，產生安裝次生應力，因此設計的6顆螺栓除了承載導線荷載、施工荷載外，還承擔著協(xié)調兩主材變形額外應力荷載，同時導線掛板螺栓群設置不合理，螺栓沿主材方向布置，兩條受力線之間成夾角，前后螺栓不能共同工作，增加螺栓剪斷的安全風險。

c.鑒于尖嘴型橫擔的受力不清晰，存在偏心、次彎矩、多次火曲等對多種結構受力不利因素，推薦110 kV及以上電壓等級的鐵塔橫擔采用梯形。

d.輸電鐵塔導線掛點處受力復雜，掛板螺栓群的設計應考慮螺栓受力不均勻性。