抱桿螺栓連接節(jié)點的極限承載能力研究

張醒，孫立江，夏擁軍，孟凡豪，馬勇

（1.黑龍江省送變電工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100055）

輸電鐵塔是架空輸電線路的重要組成部分，通常采用各種類型的抱桿完成鐵塔的組立吊裝。抱桿是一種輕便小型起重設(shè)備，其承力結(jié)構(gòu)由多節(jié)桁架式標準節(jié)通過螺栓連接組裝而成，具有重量輕、安裝和拆除方便、操作簡單、吊裝效率高等優(yōu)點。抱桿標準節(jié)間的螺栓連接節(jié)點起著連接匯交桿件、傳遞荷載的作用，其安全性至關(guān)重要。連接節(jié)點一旦失效，相連桿件將喪失部分或全部承載能力，可能造成傳力路徑改變、結(jié)構(gòu)體系局部被破壞，甚至引發(fā)整個體系連續(xù)性破壞［1］。目前，抱桿連接節(jié)點設(shè)計一般采用許用應力法。許用應力法以結(jié)構(gòu)可能承受的最大載荷為設(shè)計載荷，以單一的安全系數(shù)為設(shè)計準則，難以處理在不同載荷、不同工作特征等復雜耦合條件下的安全度與不確定性問題，導致抱桿節(jié)點設(shè)計的裕度高、質(zhì)量大。因此，有必要開展抱桿螺栓連接節(jié)點極限承載能力研究［2-3］。

以某型雙搖臂落地抱桿為研究對象，首先建立抱桿整體有限元模型，計算分析各種工況下的抱桿整體受力情況，提取抱桿標準節(jié)間螺栓連接節(jié)點的真實受力信息，研究確定節(jié)點的受力形式及規(guī)律；然后建立節(jié)點的局部有限元模型，依據(jù)節(jié)點的受力特性，分析節(jié)點的極限承載性能；在仿真研究的基礎(chǔ)上，利用5軸聯(lián)動液壓加載裝置進行抱桿螺栓連接節(jié)點極限承載能力試驗；最后通過優(yōu)化螺栓連接局部布局，提升了抱桿螺栓連接節(jié)點的極限承載能力。

1 抱桿節(jié)點受力特性仿真分析

以最大獨立高度為24 m的全鋼雙搖臂落地抱桿（ZB-DYG-12/12×700×（2×40））為研究對象，對抱桿整體結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析。抱桿的設(shè)計參數(shù)，見表1。使用軟件建立抱桿有限元模型，如圖1所示。

表1 抱桿主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the pole

圖1 雙搖臂落地抱桿整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The overall structure model of the double rocker arm landing pole

抱桿的主弦桿、直腹桿及斜腹桿均采用BEAM188單元（三維線性有限應變梁）模擬，桿件之間的連接為剛接。變幅鋼絲繩采用LINK180單元（三維僅受拉或僅受壓桿）模擬，與抱桿主體間的連接為鉸接。

選取4個典型工況，見表2，分析雙搖臂落地抱桿節(jié)點桿件受力規(guī)律。

表2 雙搖臂落地抱桿典型載荷工況Tab.2 Typical load cases of the double rocker arm landing pole

以工況1為例，簡述抱桿整體結(jié)構(gòu)的受力分析過程。抱桿桿身的軸力云圖如圖2所示。由圖2可知，抱桿桿身標準節(jié)間螺栓連接節(jié)點附近的主弦桿拉力、壓力最大，最大壓力為113 kN，最大拉力為54 kN。由于標準節(jié)間螺栓節(jié)點在壓力作用下不易產(chǎn)生破壞，因此最大拉力處螺栓連接節(jié)點即為抱桿桿身主弦桿上的最不利節(jié)點。

圖2 雙搖臂落地抱桿桿身的軸力云圖（單位：N）Fig.2 Axial force cloud diagram of the double rocker arm landing pole shaft（Unit：N）

螺栓連接節(jié)點主要通過主弦桿承受拉力作用［4-5］。因此，根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取出抱桿主弦桿上最大軸拉力附近螺栓連接節(jié)點桿件的軸力、剪力、軸應力和彎應力［6-7］，見表3。螺栓連接節(jié)點桿件編號如圖3所示。

圖3 抱桿螺栓節(jié)點模型桿件編號Fig.3 Bar number of the bolt connection point

表3 主弦桿桿件受力分析（30°-4 t-30°-2 t，16 t·m）Tab.3 Force analysis of main chord member（30°-4 t-30°-2 t，16 t·m）

分別對表2所述其余3種工況的抱桿進行受力分析，提取各桿件的受力信息，見表4～表6。

表4 主弦桿桿件受力分析（30°-2 t-30°-0 t，16 t·m）Tab.4 Force analysis of main chord member（30°-2 t-30°-0 t，16 t·m）

表5 主弦桿桿件受力分析（3°-2 t-3°-0 t，16 t·m）Tab.5 Force analysis of main chord member（3°-2 t-3°-0 t，16 t·m）

表6 主弦桿桿件受力分析（45°-2 t-45°-0 t，16 t·m）Tab.6 Force analysis of main chord member（45°-2 t-45°-0 t，16 t·m）

由表3～表6可知，抱桿螺栓連接節(jié)點同時受軸向力、剪力和彎矩作用，其中桿件軸向力遠大于桿件剪力，桿件軸向應力基本大于桿件彎應力。因此，抱桿螺栓連接節(jié)點承載能力有限元仿真和試驗僅考慮軸向加載。主弦桿①、⑧和斜腹桿②、③的軸向拉力遠大于橫腹桿所受軸向力，因此橫腹桿的受力影響可以忽略不計，桿件①、桿件②、桿件③和桿件⑧軸力比值為30∶1∶1∶30分布。后續(xù)抱桿節(jié)點極限承載性能有限元仿真和試驗中桿件加載方式均采用該受力形式及力值分布規(guī)律。

2 抱桿節(jié)點極限承載能力有限元分析

由上述分析可知，抱桿螺栓連接節(jié)點在壓力作用下不易產(chǎn)生破壞，且桿身螺栓連接節(jié)點處受拉力最大，因此，提取雙搖臂落地抱桿（ZB-DYG-12/12×700×（2×40））螺栓連接節(jié)點的主要參數(shù)見表7。

表7 抱桿螺栓連接節(jié)點參數(shù)Tab.7 Parameters of the bolt connection point

根據(jù)DL/T 319—2018《架空輸電線路施工抱桿通用技術(shù)》，ZB-DYG-12/12×700×（2×40）型雙搖臂落地抱桿材質(zhì)采用Q355，抱桿標準節(jié)之間為螺栓連接，螺栓規(guī)格為M22，螺栓其他參數(shù)見表7。

抱桿標準節(jié)桿件傳力路徑主要為軸向力傳遞，根據(jù)螺栓連接節(jié)點的構(gòu)型，極限承載工況主要為主弦桿受軸向拉力。按照桿件①、桿件②和桿件③軸力比值為30∶1∶1進行多軸加載，當多軸加載達到表8所示力值時，發(fā)現(xiàn)螺孔周邊發(fā)生屈服，最大應力為361.4 MPa，如圖4所示。如圖5所示，節(jié)點最大位移位置處在主弦桿最頂端，最大位移為6.5 mm，此數(shù)值可為后續(xù)試驗選擇位移計量程提供依據(jù)。

表8 抱桿節(jié)點的極限承載力Tab.8 Ultimate bearing capacity of pole joints

圖4 抱桿螺栓連接節(jié)點桿件應力云圖Fig.4 Stress cloud map of the bolt connection point

圖5 抱桿螺栓連接節(jié)點位移云圖Fig.5 Displacement cloud map of the bolt connection point

3 抱桿節(jié)點極限承載能力試驗研究

試驗研究是結(jié)構(gòu)節(jié)點研究中最早、最多采用的研究方法。采用試驗方法來研究節(jié)點在靜力荷載下的彈性應力分布、極限強度以及在加載過程中的變形，能提供比較可靠的節(jié)點承載性能信息，還可以根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整理論分析模型，衡量所用分析方法的優(yōu)劣［8-9］。

3.1 試驗布置

為準確測試節(jié)點上應變發(fā)展規(guī)律，依據(jù)有限元仿真分析的結(jié)果，在試件節(jié)點受力較不利的部位上布置應變化（應變片散布式布局），所有部位的應變均由TS8132型動態(tài)應變儀采集，并在試件節(jié)點區(qū)域布置20 mm量程LVDT位移計，用于測定桿件節(jié)點端部沿受力方向的伸長量，監(jiān)測節(jié)點薄弱部位位移的情況。節(jié)點軸向極限承載力則由試驗加載裝置嵌入的力傳感器進行采集記錄［10-11］。

為保證節(jié)點受力的真實性，試驗采用5軸聯(lián)動液壓加載裝置，如圖6所示。該加載裝置將主弦桿一端固定，其余桿件端部連于加載器上，桿件截面形心與加載器中心線軸心相對，以實現(xiàn)桿件軸心受力。加載器采用雙向液壓缸，可實現(xiàn)拉、壓2個方向的運動。

圖6 試驗加載裝置Fig.6 Schematic diagram of the experimental loading device

如圖7所示，當多軸加載至桿件發(fā)生明顯變形時，停止加載，記錄加載過程數(shù)據(jù)。

3.2 結(jié)果分析

試驗結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)螺栓連接節(jié)點試件在螺栓連接處位移明顯增大（如圖7（a）所示），發(fā)生屈服，卸下節(jié)點，拆除螺栓，發(fā)現(xiàn)螺孔處明顯內(nèi)凹（如圖7（b）所示），節(jié)點試件試驗整體破壞形式及局部破壞狀態(tài)同有限元仿真結(jié)果基本一致。

圖7 螺栓連接節(jié)點試驗加載結(jié)果Fig.7 Test loading results of the bolt connection point

圖8（a）為螺栓連接節(jié)點在加載過程的應力變化情況，圖8（b）為加載過程中施加軸向力的變化曲線。為尋找節(jié)點屈服后的極限承載力，首先從16個通道中找到節(jié)點最先接近屈服點的時刻，然后在圖8（b）軸向力曲線中尋找相應時刻的軸向力即為螺栓連接節(jié)點的極限承載力。試驗所得到螺栓連接節(jié)點的極限承載力大約為104.9 kN，如圖8（b）所示。

圖8 螺栓連接節(jié)點試驗過程記錄數(shù)據(jù)Fig.8 Test process record data of the bolt connection point

通過對比螺栓連接節(jié)點極限承載能力的仿真值以及試驗值，可以得到以下結(jié)論：①當螺栓連接節(jié)點加載到極限承載力時，螺孔周邊首先發(fā)生屈服，說明螺栓的設(shè)計強度完全滿足極限承載工況。②螺栓連接節(jié)點的極限承載力有限元仿真值為96 kN，試驗值為104.9 kN，試驗值與仿真值誤差為8.5%，造成該誤差的原因主要是有限元仿真模型及加載方式比較理想化，而試驗工況由于工裝誤差不可避免會造成偏心加載，加之試驗用的螺栓連接節(jié)點均通過焊接法蘭盤與加載設(shè)備相連，法蘭上的加強筋會增強節(jié)點的承受能力，因此試驗工況的極限承載力要稍大于仿真值［12］。

4 抱桿螺栓連接節(jié)點優(yōu)化設(shè)計分析

由圖4可知，除螺孔周邊應力較大外，其余位置應力均遠小于應力極限，為了降低孔周應力集中現(xiàn)象，需要對其進行優(yōu)化設(shè)計［13-14］，以便提高結(jié)構(gòu)強度。

對于抱桿螺栓連接節(jié)點，螺栓所處位置須保持在墊板和角鋼內(nèi)，抱桿螺栓位置如圖9所示?？紤]到結(jié)構(gòu)對稱，C1=C3，C2=C4，以螺栓距墊板邊距離C1和C2為變量，并以螺孔周邊應力最小值為目標，對螺栓布局進行分析，其中墊板厚度保持6 mm不變?？紤]到規(guī)范對于螺栓排布的要求［15-16］，設(shè)置C1、C2距離大于30 mm，小于50 mm。選擇若干組螺栓的位置，分析螺孔周邊的最大應力見表9。

圖9 螺栓位置Fig.9 Schematic diagram of bolt position

表9 螺栓位置對孔周應力的影響分析Tab.9 Analysis of influence of bolt position on stress around hole

由表9可知，不同位置的螺栓影響最大孔周應力值，且螺栓中心位置越靠近角鋼重心，最大孔周應力越小。當C1=50 mm，C2=30 mm，最大孔周應力為294.2 MPa，與原極限承載力（仿真）下的螺栓連接節(jié)點螺栓布局設(shè)計方案相比，優(yōu)化后的最大孔周應力下降了67.2 MPa，得到新的極限承載力為106.5 kN，對比后發(fā)現(xiàn)，螺栓布局優(yōu)化后節(jié)點的極限承載性能提升10.9%。優(yōu)化結(jié)果表明，可通過調(diào)整螺栓的布局，降低最大孔周應力，研究結(jié)果可為螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

5 結(jié)語

通過節(jié)點受力特性分析得到節(jié)點在抱桿整體中的受力形式，采用多軸等比例逐級加載至節(jié)點破壞的方法，模擬了節(jié)點的極限承載工況。通過有限元計算分析，得到了各節(jié)點的極限承載力，并在有限元仿真的基礎(chǔ)上進行了抱桿節(jié)點極限承載性能試驗，通過優(yōu)化螺栓布局，對螺栓連接節(jié)點進行了設(shè)計，提升了節(jié)點的極限承載性能（10.9%），研究成果可為抱桿的螺栓連接節(jié)點設(shè)計提供依據(jù)。