大規(guī)格角鋼軸壓桿件螺栓節(jié)點強度研究

苑士巖,姜玉挺,楊禮東

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，用電量需求不斷增加，大跨度、遠距離、高電壓等級的輸電線路得到廣泛推廣應用，在這種情況下，對于塔身主材而言，常規(guī)角鋼(肢寬不大于200 mm)很難滿足使用要求，需要采用雙(多)拼組合角鋼或者大規(guī)格角鋼。采用雙拼和多拼組合角鋼時，導致桿塔結(jié)構復雜，角鋼之間受力分配不均勻，造成鐵塔結(jié)構在加載到理論破壞荷載之前破壞，另外，螺栓通過厚度和層數(shù)量增加，給輸電線路鐵塔施工帶來不便[1]。大規(guī)格角鋼肢寬和肢厚均比較大，可以大幅度提高桿件的承載能力，與雙拼或多拼組合角鋼桿件相比，其傳力清晰、質(zhì)量更輕、施工安裝簡便，在特高壓鐵塔設計中得到了廣泛使用。

對于大規(guī)格角鋼軸心受壓桿件強度計算問題，DL/T 5154—2012《架空輸電線路桿塔結(jié)構設計技術規(guī)定》給出了計算公式，對于雙面雙排和三排螺栓布置，凈截面計算時分別減2個孔和3個孔。文獻[2]指出，角鋼螺栓連接節(jié)點受壓時，破壞不會像受拉時那樣發(fā)生鋸齒形破壞，而是由于孔壁擠壓破壞導致節(jié)點失效；在有限元分析結(jié)果基礎上，提出角鋼螺栓連接節(jié)點受壓時，角鋼構件的強度可以得到充分發(fā)揮，截面相當于基本無削弱，減孔數(shù)可取為0。

鑒于以上兩種算法差異較大，本文將對大規(guī)格角鋼螺栓節(jié)點進行數(shù)值模擬分析，根據(jù)理論分析和有限元計算結(jié)果，對DL/T 5154—2012的公式進行修正，為今后大規(guī)格角鋼受壓凈截面強度計算提供一定的理論依據(jù)。

1 ANSYS有限元分析

1.1 有限元模型

為了研究角鋼節(jié)點在壓力作用下的受力性能，本文對不同角鋼規(guī)格、螺栓型號以及螺栓布置形式進行有限元建模分析[3],見圖1。根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)各種角鋼節(jié)點的應力分布、變形特征以及破壞形態(tài)基本一致，這里僅對∟250 mm×22 mm規(guī)格角鋼[4]，雙排螺栓連接的角鋼節(jié)點的計算結(jié)果進行詳細論述，其螺栓采用8.8級M24 mm，螺栓孔徑為25.5 mm，準距為100/200，螺栓間距60 mm。

圖1 角鋼有限元模型

1.2 計算結(jié)果及結(jié)果分析

對上述節(jié)點模型進行有限元計算，得到角鋼節(jié)點的馮·米塞斯(Von Mises)應力分布、塑性應變以及軸向變形情況。

角鋼節(jié)點Von Mises應力云圖、塑性應變云圖、軸向應力、軸向位移見圖2。由2a可以看出，靠近加載端一側(cè)的應力比較大，越遠離加載端，應力越小，表現(xiàn)出較明顯的應力梯度；而且最大應力出現(xiàn)在第一排孔后部與螺桿脫離的截面處。由2b可以看出，由于孔壁擠壓導致孔前截面出現(xiàn)塑性變形，孔后截面在較小區(qū)域內(nèi)受力由壓應力突變?yōu)槔瓚?，表現(xiàn)出高度非線性，受力較為復雜。由2c可以看出，角鋼節(jié)點塑性應變集中分布于孔壁與螺桿擠壓處，而且前兩排螺栓孔處的塑性變形較大，其余區(qū)域基本沒有塑性變形；孔前由于孔壁擠壓出現(xiàn)壓縮塑性變形，同時孔后側(cè)出現(xiàn)受拉塑性變形，由于鋼材的孔壁擠壓設計值較高，螺栓孔后側(cè)截面強度成為確定角鋼節(jié)點連接強度的重點部位。由2d可以看出，靠近加載端變形等值線傾斜較嚴重，遠離加載端逐漸與角鋼截面平行，表明角鋼接頭螺栓左高右低的排列方式使得變形不均勻；螺栓群處角鋼變形較小。

(a).應力云圖 (b).軸向應力

(c).塑性應變云圖 (d).軸向位移

2 角鋼節(jié)點受壓分析

2.1 節(jié)點受壓分析

對于角鋼塔而言，螺栓連接(見圖3)是最常用的節(jié)點連接方式，外力通過螺栓孔壁和螺桿承壓傳遞。圖3中，對左側(cè)小鋼板和右側(cè)蓋板施加相等的拉力或壓力，螺桿和螺栓孔壁會在外力作用下接觸，并通過它們相互作用來抵抗外力。取螺桿左側(cè)小鋼板作為脫離體，脫離體受力情況見圖4，在壓力作用下，除凈截面承擔部分壓力(N1)外，還有一部分壓力(N2)由螺栓孔壁承擔，此時有N=N1+N2。

圖3 鋼板螺栓節(jié)點連接示意圖

圖4 脫離體受力示意圖

由于螺栓節(jié)點受壓特點，螺栓孔與螺桿接觸傳力部分受壓強度提高，但是另一側(cè)螺栓孔與螺桿分離處的截面削弱是真實存在的，在連接工作進入彈塑性階段后，要對此處的板件凈截面進行強度計算，以保證板件不發(fā)生強度破壞。

2.2 對規(guī)范公式修正

對雙面雙排、三排螺栓連接節(jié)點，見圖5，所受壓力為F，全部螺栓數(shù)量為n，毛截面面積為A，凈截面面積為A0。根據(jù)2.1節(jié)的分析可知，圖5中斷面左側(cè)截面受壓強度高，不會發(fā)生受壓破壞；對于圖中斷面右側(cè)截面，其受力大小為(n-2)·F/n，截面應力為(n-2)·F/(n·A0), 與DL/T 5154—2012第6.1.1條公式對比可知，此表達式是對規(guī)范公式中的軸心壓力設計值進行了折減，折減系數(shù)為(n-2)/n。對雙面三排螺栓連接節(jié)點做相同分析可得，折減系數(shù)為(n-3)/n，將上述分析所得表達式整理得到軸心受壓角鋼桿件螺栓連接節(jié)點強度公式為：

圖5 單角鋼接頭示意圖

ψN/A≤m·f

(1)

式中：N為軸心壓力設計值；ψ為軸心壓力設計值折減系數(shù)，雙排螺栓連接時取(n-2)/n，三排螺栓連接時取(n-3)/n；m為構件強度折減系數(shù)，按DL/T 5154—2012取值。

根據(jù)全截面受壓強度與按公式(1)算得削弱截面受壓強度相等的條件，分別推導出不同規(guī)格角鋼兩排和三排螺栓連接時的最少螺栓數(shù)量。當螺栓數(shù)量少于表1中數(shù)值，則不需要進行節(jié)點受壓強度計算，當螺栓數(shù)量大于表1中數(shù)值，則需要進行節(jié)點受壓強度的計算。由表1可知，對于角鋼肢寬為220 mm、250 mm及280 mm的桿件，一端螺栓連接數(shù)量分別為大于等于17、19和22時，需要對受壓節(jié)點進行強度計算，否則，不需要進行螺栓節(jié)點強度驗算；對于相同規(guī)格角鋼，是否需要對受壓節(jié)點進行強度計算，僅與連接螺栓數(shù)量有關，與螺栓布置形式無關(需滿足構造要求)，但是，三排螺栓布置的軸心壓力折減系數(shù)更小。

表1 雙排、三排螺栓節(jié)點信息表

3 結(jié)論

本文利用通用有限元程序ANSYS建立角鋼軸心受壓桿件螺栓節(jié)點模型，并進行非線性分析計算，將所得結(jié)果與規(guī)范公式計算結(jié)果進行對比分析，得到以下結(jié)論：DL/T 5154-2012規(guī)范公式計算結(jié)果偏于保守，不能充分發(fā)揮材料強度性能，本文提出的計算方法能夠在保證角鋼節(jié)點安全的前提下，充分發(fā)揮螺栓連接節(jié)點的強度；角鋼螺栓連接節(jié)點的螺栓數(shù)量小于某個值時，截面的減孔數(shù)可取為0；超過這個值以后，可對軸心壓力進行折減之后，進行凈截面強度計算。