輸電塔單變雙角鋼過渡節(jié)點試驗研究與計算方法

徐再根，鄭為東，劉俊才，劉文棚，田 利

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南 250013； 2. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東濟南 250061)

0 引 言

“特高壓”是中國重點發(fā)展的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目之一，是未來一段時間內(nèi)電力行業(yè)重點關(guān)注的課題。特高壓輸電線路具有空間跨度長、輸電容量大和架設(shè)塔體高等特點，在外界環(huán)境荷載(大風(fēng)荷載、覆冰跳躍、地震作用、斷線沖擊等)下的非線性振動響應(yīng)尤為顯著，傳統(tǒng)的單角鋼截面主材已無法滿足輸電塔的強度設(shè)計要求。在特高壓輸電塔實際工程中，為了滿足承載要求并提高板件利用率，通常將輸電塔受力較大的底部主材更換為組合雙角鋼截面。由于單變雙角鋼過渡節(jié)點中連接水平板的上、下靴板中心線不重合且存在不可忽略的偏心距離，導(dǎo)致從單角鋼主材向雙角鋼主材的傳力路徑復(fù)雜且不清晰。由于《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[1]和《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[2]中未給出統(tǒng)一的計算方法進行指導(dǎo)，目前在過渡節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通常根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗增大水平連接板件的厚度，導(dǎo)致浪費大量的耗材成本和加工成本。因此，研究過渡節(jié)點的受力特點和承載性能對過渡節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化具有重要意義。

單變雙角鋼過渡節(jié)點是滿足角鋼塔更高承載要求的一種新型節(jié)點形式，目前僅有少量學(xué)者對過渡節(jié)點的受力特性開展研究。黃宗明[3]以單角鋼連接節(jié)點板為研究對象開展了足尺試驗，并通過有限元模擬方法研究了節(jié)點板的破壞機理及破壞模式。程睿等[4]開展了單角鋼連接節(jié)點板的足尺試驗，提出了節(jié)點板受壓承載力的計算方法。李光照[5]通過電測技術(shù)研究了10種不同構(gòu)造形式，共24個常用雙角鋼桿件桁架外加式焊接節(jié)點板的原型試驗，得到了節(jié)點板破壞機理并提出相應(yīng)的設(shè)計原則。楊利容等[6]分析了過渡節(jié)點的受力情況，并驗證連接板件滿足安全要求。鞠彥忠等[7-8]研究了鋼管-角鋼過渡節(jié)點的極限承載力，并與現(xiàn)行規(guī)范進行對比，分析了不同參數(shù)對極限承載力的影響程度。陳旭陽[9]基于近似平面假定理論推導(dǎo)了過渡節(jié)點水平連接板厚度的計算方法，并通過數(shù)值模擬和真型試驗驗證了計算方法的正確性。朱昌建等[10]建立不同尺度的過渡節(jié)點模型，研究了不同參數(shù)對過渡節(jié)點力學(xué)特性的影響規(guī)律。楊垂瑋等[11]通過研究過渡節(jié)點的傳力機理，明確影響水平連接板受力情況的控制因素。Yam等[12]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水平板上的荷載增大到一定程度后，水平板出現(xiàn)屈服且內(nèi)力發(fā)生重新分布。Sheng等[13]提出了一種非彈性受壓性能和強度的研究方法，參數(shù)化分析了水平板承載力的變化情況。薛曉敏等[14]通過仿真計算探究了節(jié)點在拉壓荷載作用下的受力機理和破壞模式，并基于屈服線法理論提出單變雙角鋼關(guān)鍵節(jié)點整體承載力設(shè)計推薦公式。開展單變雙角鋼過渡節(jié)點加載試驗是研究其承載性能最可靠的方法，然而目前的相關(guān)研究主要基于數(shù)值模擬和理論分析，鮮少涉及過渡節(jié)點加載試驗。

基于上述的研究背景與現(xiàn)狀，本文依托某特高壓輸電線路實際工程，選取3個典型的單變雙角鋼過渡節(jié)點為研究對象，開展過渡節(jié)點數(shù)值模擬和加載試驗，研究其在受拉和受壓工況下的承載性能和受力情況，為過渡節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

基于特高壓輸電線路實際工程，選取3個單變雙角鋼過渡節(jié)點為研究對象，共制作8個過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ停渲?個足尺試驗?zāi)Ｐ头謩e在受拉和受壓工況下進行彈性加載試驗，2個縮尺試驗?zāi)Ｐ头謩e在受拉和受壓工況下進行破壞加載試驗，過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。根據(jù)縮尺理論將過渡節(jié)點的幾何尺寸按照縮尺比例1∶2進行設(shè)計，其他相關(guān)參數(shù)按照量綱分析法進行確定。鑒于本文的研究重點為單變雙角鋼過渡節(jié)點連接板件的強度和穩(wěn)定問題，為了防止角鋼構(gòu)件先于連接板件發(fā)生破壞，適當(dāng)增大了縮尺試驗?zāi)Ｐ椭袉?、雙角鋼構(gòu)件的厚度，過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ偷某叽鐓?shù)如表1所示。各過渡節(jié)點的角鋼構(gòu)件、5E3-SJC4節(jié)點的水平板和靴板采用Q420鋼材，其余構(gòu)件采用Q355鋼材，角鋼與靴板之間采用8.8級的高強螺栓進行連接，且足尺與縮尺模型螺栓型號分別為M24和M12。由于輸電塔主材沿塔身高度存在傾角，在加工試驗?zāi)Ｐ椭校瑔谓卿撆c水平板的夾角為87°(93°)，雙角鋼與水平板的夾角為93°(87°)。節(jié)點試驗?zāi)Ｐ团c加載裝置及反力架的組裝如圖2所示。

圖1 足尺與縮尺過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Full-scale and Scale Transition Joint Test Models

圖2 節(jié)點組裝Fig.2 Joint Assembly

表1 試件尺寸及加載工況Table 1 Specimen Dimensions and Loading Conditions

1.2 加載制度及測點布置

本次試驗采用MTS液壓伺服加載系統(tǒng)進行加載。試驗采用分級加載[15]形式進行，荷載控制方式采用力控制，加載速率為1 kN·s-1，每級加載保持5 min。受限于試驗條件和儀器噸位等因素，彈性和破壞試驗的受拉工況設(shè)計荷載為640 kN，受壓工況設(shè)計荷載為940 kN。彈性試驗的加載級別為設(shè)計荷載的0%、30%、50%、75%、100%；破壞試驗的加載級別為設(shè)計荷載的0%、30%、50%、75%、90%、95%、100%，加載方式如圖3所示。此外，在進行正式加載之前，對過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ途M行預(yù)加載，預(yù)加載分2級進行施加，每級加載值為設(shè)計荷載的10%，加載速率和保持時間同正式加載，加載完畢后以10 kN·s-1的速率進行卸載，預(yù)加載用以保證試驗?zāi)Ｐ桶惭b的合理性和加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 試驗加載制度Fig.3 Test Loading System

由于上、下靴板與水平板的連接焊縫存在不可忽略的偏心距離，當(dāng)荷載從上靴板傳至下靴板時，在水平板上產(chǎn)生較大的偏心力矩，該偏心力矩是影響水平板受力的主要因素[9]。為了記錄不同加載級別下過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ偷氖芰η闆r，在上、下靴板與水平板的相交區(qū)域附近布置數(shù)個應(yīng)變片和應(yīng)變花，過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)變測點布置如圖4所示，其中H代表應(yīng)變花，P代表應(yīng)變片。

圖4 應(yīng)變測點布置Fig.4 Layout of Strain Measuring Points

1.3 材性試驗

過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ图庸み^程中，按照《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》(GB/T 2975—2018)的相關(guān)要求，在上、下靴板和水平板母材上預(yù)留樣坯，根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228—2002)[16]對樣坯加工成形并進行單向拉伸試驗。材性試樣共分為8組，每組加工3個試件，圖5給出了材性試驗尺寸信息，試樣長度分為A、B兩類，圖6為材性試樣實物。材性試驗主要測定項目包括鋼材的屈服強度、極限強度和伸長率等，每組結(jié)果取3個試件的平均值并列于表2。

圖5 材性試樣尺寸(單位:mm)Fig.5 Dimensions of Material Property Samples (Unit:mm)

圖6 材性試樣照片F(xiàn)ig.6 Picture of Material Property Samples

2 有限元模型驗證與試驗結(jié)果分析

2.1 有限元分析模型

在ABAQUS有限元軟件中采用C3D8R實體單元建立單雙角鋼過渡節(jié)點精細化模型，由于縮尺試驗?zāi)Ｐ?5E3-SJC4-SC)是基于足尺試驗?zāi)Ｐ?5E3-SJC4)按照1∶2的縮尺比例進行設(shè)計，圖7僅給出了編號為5E3-SJC4、5E5-SJK2A和5E5-SJ4A的過渡節(jié)點有限元模型。材料本構(gòu)采用理想彈塑性模型，構(gòu)件材料參數(shù)采用表2中材性試驗的測定結(jié)果。水平板與加勁板、靴板的連接焊縫采用“Tie”模擬，螺栓與連接板件的相互作用采用硬接觸和摩擦接觸，其摩擦因數(shù)取0.15。在對過渡節(jié)點加載之前，先在螺栓桿中施加螺栓預(yù)緊力[17-18]，共設(shè)置3個分析步，第一分析步對螺栓截面沿軸向施加較小的螺栓荷載，使模型完成初始接觸，便于計算收斂；第二分析步施加預(yù)緊力實際值；第三分析步修改荷載施加方式為固定在當(dāng)前長度。將上端板的上表面設(shè)置為耦合面，面中心點為耦合點，單角鋼主材的形心軸垂直于上端板且通過其形心，進而設(shè)置第四分析步，根據(jù)圖2的加載制度在上端板耦合點上施加垂直于角鋼軸向的集中力，且在下端板底部設(shè)置固定邊界條件。

表2 材性試驗結(jié)果Table 2 Results of Material Property Test

圖7 過渡節(jié)點有限元模型Fig.7 Finite Element Models of Transition Joints

2.2 有限元模型驗證與試驗結(jié)果分析

對6個足尺過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ头謩e在受拉和受壓工況下進行彈性加載試驗。本節(jié)僅給出了不同加載級別下P1、H1、H2、P3四個測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)，如圖8所示?？梢钥闯?，隨著荷載增加，各測點記錄的應(yīng)變值逐漸線性增大。與其他測點相比，測點H2呈現(xiàn)出較大的應(yīng)變值，表明水平板上對應(yīng)上、下靴板的十字交匯處水平應(yīng)力最大，并向四周擴散且逐漸減小。同時，由足尺試驗得到的荷載-應(yīng)變曲線與數(shù)值模擬吻合較好，驗證了有限元模型的正確性。

圖8 彈性加載試驗的應(yīng)變曲線Fig.8 Strain Curves of Elastic Loading Tests

對2個縮尺過渡節(jié)點試驗?zāi)Ｐ头謩e在受拉和受壓工況下進行破壞加載試驗。表3給出了不同加載級別下P1、H1、H2、P3四個測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)。通過對比加載試驗和數(shù)值模擬得到的不同加載級別下各測點的應(yīng)變值，驗證了建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測過渡節(jié)點的受力情況。通過表3可以看出，隨著荷載增加，各測點的應(yīng)變逐漸線性增大。與彈性加載試驗得到的應(yīng)變分布規(guī)律相同，位于靴板與水平板相交區(qū)域的測點H2應(yīng)變最大，表明靴板與水平板的相對位置對水平板的受力有很大的影響。

表3 破壞加載試驗的應(yīng)變值Table 3 Strain Values of Failure Loading Tests

當(dāng)荷載達到940 kN時，過渡節(jié)點的連接板件發(fā)生明顯的彎曲變形，此時終止加載試驗。圖9給出了破壞試驗中過渡節(jié)點的變形模式，并與數(shù)值模擬進行對比。由于上、下靴板與水平板的連接焊縫存在偏心距離，當(dāng)荷載傳至水平板時，偏心彎矩較大而導(dǎo)致水平板發(fā)生彎曲變形，如圖9(a)、(b)所示。發(fā)生彎曲變形的水平板通過焊縫影響了上、下靴板的受力情況，進而導(dǎo)致上、下靴板出現(xiàn)明顯變形，如圖9(c)、(d)所示。通過圖9可以看出，由破壞試驗得到的過渡節(jié)點變形模式與數(shù)值模擬吻合較好，進一步驗證了有限元模型的正確性，為后續(xù)的單變雙角鋼過渡節(jié)點模擬分析奠定基礎(chǔ)。

圖9 試驗與數(shù)值模擬變形對比Fig.9 Comparison of Deformation Between Test and Numerical Simulation

3 單變雙角鋼過渡節(jié)點計算方法比較

由于上、下靴板與水平板連接焊縫存在較大的偏心距離，當(dāng)荷載從上靴板經(jīng)過水平板傳至下靴板時，在水平板上產(chǎn)生的偏心力矩是影響其受力的主要因素?；趩巫冸p角鋼過渡節(jié)點理論分析與數(shù)值模擬，文獻[19]分析了上、下靴板與水平板連接焊縫的偏心距對水平板受力的影響規(guī)律，對水平板上的不均勻應(yīng)力進行等效，通過引入彎矩調(diào)整系數(shù)和彎矩強化系數(shù)，提出了一種確定過渡節(jié)點水平板厚度t的計算方法，即

(1)

(2)

式中：α為彎矩調(diào)整系數(shù)；β為彎矩強化系數(shù)；Lh為水平板長度；Lw為水平板寬度；F為施加荷載；e為上、下靴板的偏心距；Lz為上角鋼肢寬；f為水平板強度設(shè)計值。

根據(jù)不同偏心距下單變雙角鋼過渡節(jié)點的彎矩調(diào)整系數(shù)α散點分布規(guī)律，為了保證水平板的計算厚度滿足過渡節(jié)點的受力要求，將彎矩調(diào)整系數(shù)α采用雙線性模型進行包絡(luò)處理，如圖10所示。

圖10 偏心距與α關(guān)系Fig.10 Relationship Between Eccentricity and α

如前所述，目前關(guān)于單變雙角鋼過渡節(jié)點水平板厚度的規(guī)范沒有給出相應(yīng)的計算公式，導(dǎo)致在節(jié)點設(shè)計中存在較大的盲目性和主觀性。為了評估文獻[19]中水平板厚度計算方法的合理性，進一步對比了已提出的水平板厚度設(shè)計方法和上述試驗結(jié)果。

文獻[9]考慮水平板上彎矩分布的不均勻性，將彎曲應(yīng)力作為水平板承載力的主要控制因素，提出了水平板彎矩比值與慣性矩的關(guān)系，推導(dǎo)了水平板厚度計算方法，即

(3)

式中：κ為力傳遞系數(shù)；Mp單位長度彎矩。

文獻[20]通過分析單變雙角鋼過渡節(jié)點的受力機制和破壞模式，明確上、下靴板的幾何交匯處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提出了應(yīng)力擴散長度將水平板中的不均勻應(yīng)力進行等效，進而推導(dǎo)了水平板厚度計算方法，即

(4)

式中：α′為內(nèi)力系數(shù)；L為應(yīng)力傳遞強化長度；q為等效均布線荷載。

采用上述計算方法計算了編號5E5-SJK2A、5E3-SJC4和5E5-SJ4A的過渡節(jié)點水平板厚度，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯觯瑢Σ煌瑔巫冸p角鋼過渡節(jié)點采用文獻[9]與文獻[20]計算的水平板厚度均比設(shè)計(試驗)厚度大，表明這2種設(shè)計方法偏于保守；文獻[19]計算的水平板厚度均比節(jié)點設(shè)計(試驗)厚度小，表明這種方法對節(jié)點水平板厚度實現(xiàn)了進一步優(yōu)化，其中5E5-SJK2A過渡節(jié)點的厚度優(yōu)化效果最好，優(yōu)化率達14.1%。

表4 不同水平板厚度計算方法對比Table 4 Comparison of Calculation Methods for Different Horizontal Plate Thickness

為了驗證計算方法的合理性，以編號為5E5-SJK2A-2的過渡節(jié)點為例進行數(shù)值模擬分析。該過渡節(jié)點的設(shè)計偏心距為76 mm，將表1中的尺寸參數(shù)代入公式(3)、(4)中，得到水平板計算板厚為26 mm，并與水平板設(shè)計(試驗)板厚30 mm進行對比，如圖11所示?？梢钥闯觯菏軌汗r中，厚度優(yōu)化前后的水平板均未達到屈服，厚度為30 mm和26 mm的水平板最大應(yīng)力分別為288 MPa和325 MPa，且優(yōu)化后的水平板材料利用率明顯提升；受拉工況中，厚度為30 mm的水平板最大應(yīng)力為278 MPa，厚度為26 mm的水平板最大應(yīng)力為327 MPa，均未達到屈服，表明優(yōu)化后的水平板滿足過渡節(jié)點的設(shè)計要求。

圖11 5E5-SJK2A過渡節(jié)點設(shè)計板厚與計算板厚的應(yīng)力云圖對比Fig.11 Comparison of Stress Nephogram Between Design Plate Thickness and Calculated Plate Thickness of Transition Joint 5E5-SJK2A

綜上所述，文獻[19]通過考慮上、下靴板偏心距對水平板受力的影響規(guī)律，明確了過渡節(jié)點的力學(xué)特性，并對水平板上的不均勻水平應(yīng)力進行包絡(luò)強化。通過與過渡節(jié)點設(shè)計厚度進行對比，驗證了該方法不僅具有良好的水平板厚度優(yōu)化效果，也能夠滿足水平板承載力要求。將提出的方法應(yīng)用于實際工程中能夠節(jié)約過渡節(jié)點的耗材成本，為過渡節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語

(1)通過開展單變雙角鋼過渡節(jié)點真型試驗，研究了彈性工況和破壞工況下過渡節(jié)點的受力特性，確定了過渡節(jié)點的極限承載能力，且有限元模擬與試驗結(jié)果吻合良好，驗證了有限元模型的合理性。

(2)單變雙角鋼過渡節(jié)點真型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明，水平板上對應(yīng)上、下靴板的十字交匯處水平應(yīng)力最大，并向四周擴散且逐漸減小，明確了偏心距是影響過渡節(jié)點受力的主要因素。

(3)通過與水平板設(shè)計(試驗)厚度進行對比，對現(xiàn)有的過渡節(jié)點水平板厚度計算方法合理性進行了評估，分析了不同計算方法的厚度優(yōu)化效果和安全裕度，為單變雙角鋼過渡節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。